[发明专利]一种富氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种富氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料的制备方法，包括将六水合硝酸钴、六水合硝酸镍和六水合硝酸锌溶解到甲醇溶液中，超声搅拌，配置成溶液A，将二甲基咪唑加入到甲醇溶液中，超声搅拌，配制成溶液B，混合两种溶液，在室温下搅拌，离心，过滤，烘干，得到样品Ⅰ；然后放置在管式炉中，在惰性气体氛围下，升至800℃煅烧，冷却得到样品III；将样品III和升华硫加入到研钵中，混合研磨，然后放入到高压反应釜中，放入烘箱中，在一定温度下保持一段时间后，得到所述氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料。本发明所制备的电极材料具有优异的循环稳定性和库伦效率。

技术领域

本发明属于锂硫电池电极材料技术领域，具体涉及一种富氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池以单质硫为正极，金属锂片为负极，其理论比能量高达2500Wh/kg，是目前使用的锂离子电池的数倍至十倍，比容量高达1675mAh/g，而且作为正极活性物质的硫元素在地球上储量丰富(地壳中占比0.048％)，价格低廉且对环境友好。与传统锂离子电池的嵌脱锂反应不同，锂硫电池通过S-S键的断裂/生成来实现化学能和电能之间相互转换。

放电时，硫与金属锂反应生成易溶于电解液的长链多硫化锂和不溶解的Li₂S₂和Li₂S，溶解的长链多硫化锂在电场力和浓度梯度的作用下向锂金属负极扩散，最后被金属锂还原成短链的多硫化锂沉积在锂金属表面，低价态的多硫化锂在负极区浓度较高，容易再次回到硫正极失去电子发生氧化反应，在正极与负极之间发生氧化还原“穿梭反应”。目前较差的循环性能，较低的库仑效率和严重的容量衰减等问题，严重限制了锂硫电池的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种富氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料的制备方法，其制备方法包括以下步骤：

S1：将六水合硝酸钴、六水合硝酸镍和六水合硝酸锌溶解到甲醇溶液中，超声搅拌10min，配置成溶液A，将二甲基咪唑加入到甲醇溶液中，超声搅拌10min，配制成溶液B，然后将溶液B倒入溶液A中，在室温下搅拌6～10h，离心，过滤，得到样品Ⅰ。

S2：配置浓度为2～5mol/L的尿素溶液，将样品I浸没于所述尿素溶液中1～2h，同时缓慢震荡，然后用去离子水洗涤2～3次，在60～80℃下烘干，得到样品II。

S3：将样品ⅠI放置在管式炉当中，在惰性气体氛围下，以升温速率为2℃/min从室温升至500℃，保温2～3h，然后升至800℃下退火2h，冷却得到样品III。

S4：将样品III和升华硫加入到研钵中，混合研磨，然后密封到真空玻璃管中，放入管式炉中将温度升至150～170℃，保持6～18h后，随炉冷却得到所述富氮多孔碳框架的锂硫电池电极材料。

作为优选方案，上述所述的六水合硝酸钴、六水合硝酸镍和六水合硝酸锌的摩尔比为(0.5～0.6):(0.25～0.35):(0.05～0.15)。

作为优选方案，上述所述的三种金属盐六水合硝酸钴、六水合硝酸镍和六水合硝酸锌质量之和与二甲基咪唑的质量比为0.85～0.89:0.93～0.98。

作为优选方案，上述所述的样品III和升华硫的质量比为1：1.3～1.8。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明中所制备的样品III，是以C构成的含有金属Co、Ni和Zn的框架材料，并且在制备中通过尿素引入大量的N元素，得到的样品III具有极高的导电性、大的比表面积、丰富的孔隙结构；并且大量掺杂的N元素能够增强对液相多硫化物的吸附作用，有效的抑制了锂硫电池充放电过程中的穿梭效应，避免了电极材料导电性能降低的问题。