[发明专利]镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料及其制备和在锂硫电池中的应用

说明书

本发明属于废旧电极材料回收以及电极材料制备领域，具体涉及一种镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料，以及通过废旧正极材料制备所述的镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料的方法。该碳材料内部纳米级孔道相互贯通，材料被过渡金属催化局域石墨化，同时材料内嵌高度分散的镍、钴、锰，提供丰富的反应界面和锂离子传输通道，且多金属掺杂的多孔碳能够提高碳基底的极性，金属粒子催化多硫化物的转化，进而显著提升所述正极活性材料制备的锂硫电池的放电比容量和倍率及循环性能。

技术领域

本发明涉及电池电极材料制备领域，具体涉及一种锂硫电池正极用材料。

背景技术

随着能源需求的增加、电子市场和电动车市场的不断发展,锂离子电池由于其安全、环保、较高的比能量和良好的电化学性能等优势受到了人们的青睐。也正因为如此,大量的锂离子电池被生产和消耗。为了保护环境、节约资源,同时能够进行资源的循环利用,发展废旧锂离子电池回收技术十分必要。而锂离子正极三元材料中含有多种有价值的金属元素,具有较大的回收价值。但是传统湿法回收工艺代价较高，如何低成本高效地回收有价元素或者废物处理再利用引发大家广泛研究。

不同于常规的锂离子电池的阳极发生的是锂离子在石墨阳极中的嵌入和脱出；锂金属电池阳极的充放电过程是锂金属的溶解和沉积过程；其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。锂硫电池作为一种典型的锂金属电池，因具有高能量密度和低成本等突出优点引起了广泛的研究兴趣，但由于硫及硫化锂的导电性差、多硫化锂的穿梭效应及缓慢的转化反应动力学过程和循环过程中活性物种的体积变化大等因素使锂硫电池仍然面临着诸多挑战，如低的硫利用率、短的循环寿命和有限的功率密度。经过持续的努力，人们发展了物理限域、化学吸附多硫化锂等策略，在一定程度上抑制了锂硫电池中存在的穿梭效应、极化效应和体积效应，提高了硫的利用率、倍率性能和循环稳定性。但是锂硫电池的产业化进程面临的是高载硫量、低液硫比的严峻问题。在苛刻情况下利用合适的催化剂来加速多硫化物转化是一条可行的道路。

发明内容

为克服上述现有技术的不足之处，本发明第一目的在于提供一种镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料(本发明也称为碳材料)，旨在提供一种可适用于锂硫电池，改善锂硫电池电学性能的材料。

本发明第二目的在于，提供一种镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种在所述的镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料的应用。

本发明第四目的在于，提供一种在所述的镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料中载硫得到的锂硫电池正极活性材料。

本发明第五目的在于，提供一种所述的锂硫电池正极活性材料的制备方法。

本发明第六目的在于，提供一种所述的复合正极活性材料在锂硫电池中的应用。

本发明第七目的在于，提供一种添加有所述的复合正极活性材料的锂硫电池。

一种镍钴锰多金属@石墨化碳@层级孔多孔碳材料，包含具有层级孔结构的无定型碳，所述的无定型碳的骨架中原位弥散分布有若干活性颗粒；所述的活性颗粒包含石墨化碳以及原位镶嵌在其中的镍、钴、锰三元金属单质。

本发明所述的碳材料，具有层级孔结构，且其无定型碳骨架中原位弥散分布的镍钴锰三元金属@石墨化碳的双重原位复合活性颗粒。研究发现，所述的特殊层级孔、双重原位弥散分布形貌以及镍钴锰三元金属的协同特性能够意外地在锂硫电池中表现出优异的多硫化物催化性能，能够在锂硫电池中表现出优异的倍率、容量和循环性能。