[发明专利]一种正极宿主材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种正极宿主材料及其制备方法和应用，所述正极宿主材料的制备方法包括如下步骤：(1)将金属盐、亚铁盐、抗坏血酸以及咪唑类化合物加入水中混合，反应，得到花状前驱体；(2)将步骤(1)得到的花状前驱体进行高温处理，得到所述正极宿主材料；通过在制备过程中加入抗坏血酸，使其得到特定形貌的花状前驱体，并通过控制亚铁盐和抗坏血酸的量，调控片层堆叠的紧密程度和厚度，且在高温处理过程中，无需额外添加碳源和催化剂，利用自身花状前驱体中的碳源和催化剂即能在表层锚定住大尺寸，在中空碳管得到正极宿主材料；该正极宿主材料应用于锂硫电池中，能够提高锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于电池领域，涉及一种正极宿主材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种正极宿主材料、正极活性材料及其制备方法和应用。

背景技术

日趋严重的能源危机与环境问题使人们开始寻找更有效的能源利用方式并积极开发可再生的新能源，从而实现经济的可持续发展。但是由于当前的技术限制，化石燃料仍存在能量利用率低、严重的氮氧化物和硫氧化物的排放问题。因此，新能源(包括风能、核能、太阳能、地热能等)开始被研究得越来越多并且发展迅速。但是此类新能源也有其自身的局限性，如能源的不稳定性，能源的存储问题，地域限制等。所以，目前能源结构仍然是传统的化石燃料为主。

为了解决这些问题，众多科研工作者开始着力研究可再生新型能源的有效转化并开发出有效的能源储存系统。二次电池就是一个非常有效的一种方式来存储新能源体系产生的电能，包括铅酸电池、镍氢电池、镍铬电池锂硫电池以及锂离子电池等。

锂硫电池即为最具有竞争力的一种新型高能量密度二次电池体系。一般而言，Li-S电池是以硫、导电碳和粘结剂混合制成的正极，金属锂为负极，中间隔以不导电但导通离子的高分子隔膜，并使用有机电解液的新型二次电池体系。此外，硫的高能量密度、低成本、环保性等特点使其成为优异的锂电池正极材料。但是锂硫电池(Li-S电池)体系自身的缺陷使其商业化进程受到了极大的限制。其中包括然而单质硫低的电子导电率和聚硫离子的高溶解度所造成较快的衰减和较低的活性物质利用率。

因此，提供一种新型的锂硫电池正极活性材料非常有必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种正极宿主材料及其制备方法和应用，通过在制备过程中加入抗坏血酸，使其得到特定形貌的花状前驱体，并通过控制亚铁盐和抗坏血酸的量，调控片层堆叠的紧密程度和厚度，且在高温处理过程中，前驱中所含的Fe一部分和碳结合生成Fe₃C，另一部分和咪唑中的N结合形成Fe-Nx的活性位点；同时碳主体外壳由于受到Fe单质的催化作用，自下而上地在表层生长出中空的竹节状碳管，且在制备过程中无需额外添加碳源和催化剂，利用自身花状前驱体中的碳源和催化剂即能得到正极宿主材料；该正极宿主材料应用于锂硫电池中，能够提高锂硫电池的电化学性能。

本发明的目的之一在于提供一种正极宿主材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将金属盐、亚铁盐、抗坏血酸以及咪唑类化合物加入水中混合，反应，得到所述花状前驱体；

(2)将步骤(1)得到的花状前驱体进行高温处理，得到所述正极宿主材料。

本发明中通过在制备过程中加入抗坏血酸，使其得到特定形貌的花状前驱体，并通过调节抗坏血酸和亚铁盐的含量调控花状前驱体中片层堆叠的紧密程度和厚度，而后进行高温处理，花状前驱体的内部演化成具有微孔结构的花状碳骨架，花状前驱体中的一部分铁和碳结合形成Fe₃C，另一部分铁和咪唑类化合物中的N结合形成Fe-Nx的活性位点，同时花状前驱体的外部烧结成碳外壳，包覆在花状碳骨架的表面，碳外壳在铁的催化作用下，表面生长出中空的竹节状碳纳米管，且在高温处理过程中无需额外加入碳源和催化剂，利用花状前驱体自身的碳源和催化剂即能在表层锚定住大尺寸在中空碳管。