[发明专利]一种用于锂硫电池的正极改性材料M-N-CNT及其制备方法和电池

说明书

本发明公开了一种用于锂硫电池的正极改性材料M‑N‑CNT及其制备方法和电池，其中M为Fe、Co或Ni，所述材料M‑N‑CNT采用如下方法制得：将金属盐的饱和DMF溶液转移到石英船中，放入管式炉的一端，在Ar气氛下，将管式炉加热至700‑1000℃，然后将石英船推入管式炉的加热区，直至饱和溶液完全反应，待自然冷却至室温，收集固体产物用王水、去离子水和乙醇依次洗涤，干燥即得正极改性材料M‑N‑CNT；采用该方法所制得的正极改性材料具有优异的电化学性能，不仅具有较高的导电性，而且具有优异的电催化特性，可以在高硫负载量下仍可实现高的面容量。本发明的方法简单且产量大、成本低，具有极大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域，具体涉及一种用于锂硫电池的正极改性材料M-N-CNT及其制备方法和电池，其中M为Fe、Co或Ni。

背景技术

随着社会经济的快速发展，能源短缺和环境污染已成为社会面临的两大难题，因此在发展经济的同时，也要把重点放在使用具有高能、稳定、清洁的能源上，而电化学方面的材料因质量轻、容量大，体积小，作为能量存储设备在给人们生活提供方便快捷的同时，也促进了科学经济的发展。

锂硫电池具有很高的理论比容量1675 mAh/g和理论比能量2600 Wh/kg，且低成本、对环境友好，已被认为是最具发展潜力的电池之一。然而，锂硫电池本身也存在一些缺点：寿命短、低库伦效率和自放电消耗等，严重阻碍了锂硫电池的商业化应用。因此，采用对正极材料改性的方式，可以有效改善锂硫电池的电化学性能。目前在中国的《能源》杂志（2015年285卷47~49页）报道了Fe₃C/碳纳米纤维网。在美国的《先进科学新闻》杂志（2018年28卷1800563期4~7页）报道了带有石墨烯壳的ACT@Fe/Fe₃C纳米粒子。在中国的《化学工程》杂志（2018年333卷564~571页）报道了一维多孔Fe-N-C和二维石墨烯薄片改性隔膜和在中国的《无机盐工业》（2019年51卷1期29~32页）杂志报道了多孔立方体复合材料N-Fe₃C/C。尽管上述方法有效提高了硫正极的导电性，缓解了硫在充放电过程中的体积膨胀，有效抑制多硫化物的溶解，但因制备过程复杂，产量较低，且成本高，很难达到商业大规模生产的要求，而且通常也难以获得有效的高硫载量以及提高高硫载量下的面容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂硫电池的正极改性材料M-N-CNT及其制备方法和电池，该电池具有成本低廉、比能量高、操作简单等优点，尤其是采用该方法所制得的正极改性材料Fe-N-CNT具有优异的电化学性能，因竹节状碳纳米管相互交叉形成的网络结构，不仅增强了正极材料整体的导电性，还可以缓解硫在充放电过程中引起的体积膨胀，有效降低容量的快速衰减，其表面吸附的Fe₃C和Fe₃N纳米颗粒对多硫化物具有很强的吸附作用，可以抑制多硫化物的溶解；另外Fe₃C和Fe₃N作为催化材料，可以促进多硫化物的催化转化，制得的正极材料不仅具有较高的导电性，而且具有优异的电催化特性，可以在高硫负载量下仍可实现高的面容量。

本发明是通过如下技术方案实现：

本发明提供一种用于锂硫电池的正极改性材料M-N-CNT，其中M为Fe、Co或Ni，所述材料采用如下方法制得：将金属盐的饱和DMF溶液转移到石英船中，放入管式炉的一端，在Ar气氛下，将管式炉加热至700-1000℃，然后将石英船推入管式炉的加热区，直至饱和溶液完全反应，待自然冷却至室温，收集固体产物用王水、去离子水和乙醇依次洗涤，干燥即得正极改性材料M-N-CNT。

进一步的，所述的金属盐为二茂铁、乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍。

更进一步的，所述M-N-CNT的形貌为在竹节状的CNTs上吸附分布有M-N、M-C纳米颗粒。