[发明专利]一种氮掺杂多孔碳球/S复合材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳球/S复合材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用，氮掺杂多孔碳球/S复合材料的制备包括以下步骤：将A溶液与B溶液混合，在特定温度范围下反应；分离固相产物，并用去离子水洗涤，干燥后获得白色粉末；A溶液包括锌盐和去离子水；B溶液包括2‑甲基咪唑和去离子水；将干燥样品进行碳化后获得氮掺杂多孔碳球材料；再将氮掺杂多孔碳球与升华硫混合均匀并进行热处理，得到氮掺杂多孔碳球/S复合材料。本发明通过低温调控水系ZIF配位行为，热处理所得到氮掺杂多孔碳球材料对多硫化物具有良好的物理和化学吸附作用以及大比表面积，能有效抑制多硫化物穿梭效应，降低正极电子传输阻力，缓解充放电产物体积变化，提高硫利用率，最终获得长循环稳定性锂硫电池。

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种氮掺杂多孔碳球/S复合材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用。

背景技术

随着人类社会的不断发展，对于能源的需求与日俱增，传统化石能源由于其不可再生、环境污染等缺点，已经无法满足当今社会绿色、可持续的发展理念。因此，发展清洁、高效的能源获取与存储技术成为全人类社会的共同追求。锂硫电池具有高的理论比容量1675 mAh g^-1和理论能量密度2600 Wh·Kg^-1，被认为是新一代电池体系中最具有前景的储能体系之一。同时在锂硫电池中，硫正极材料具有储量丰富，价格低廉，环境友好等优点，因此锂硫电池受到国内外众多学者的广泛关注和研究。然而，虽然Li-S电池具有诱人的应用前景，但目前仍然存在几个问题阻碍Li-S电池的实际应用：

（1）穿梭效应：硫氧化还原反应过程的中间产物——多硫化物，溶于常见的醚基等有机电解液，在浓度梯度的作用下多硫化物向Li金属负极扩散并且在负极与Li⁺结合形成Li₂S，造成活性物质流失、电池比容量衰减、库伦效率降低；

（2）体积膨胀：由于Li₂S(1.66g cm⁻³)和S(2.03g cm⁻³)之间的密度差异，所以放电产物Li₂S会出现体积膨胀，影响正极基体结构；

（3）活性物质导电性差：硫和放电产物Li₂S/Li₂S₂的绝缘性导致活性物质利用率低。

水系ZIF具有制备简单，成本低等优点。但是其微米级别的尺寸使其难以具有高比表面积和孔隙率。如专利CN 110876961 B所公开的一种室温下的水系ZIF制备策略，其单体尺寸达微米级别，使其难以获得大比表面积。这对于需要高电接触面积的锂硫电池正极是不利的。

为了克服以上问题，本发明通过低温调控水系ZIF配为行为，获得一种高比表面积以及孔隙率的氮掺杂多孔碳球。以氮掺杂多孔碳球与硫复合提出一种锂硫电池正极，其满足对多硫化物吸附、容纳充放电产物体积变化、高导电性等特点，将其应用于锂硫电池表现出优良的充放电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂多孔碳球/S复合材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用，本发明通过引入具有氮掺杂多孔结构的金属有机框架材料衍生碳材料作为正极硫宿主，有效抑制多硫化物穿梭、体积膨胀以及改善活性物质导电性差的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种氮掺杂多孔碳球/S复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)称取锌盐加入去离子水中，搅拌至完全溶解，制得A溶液；

(2)称取2-甲基咪唑加入去离子水中，搅拌至完全溶解，制得B溶液；

(3)将A溶液与B溶液混合，在特定温度区间，搅拌反应均匀；

(4)将步骤(3)所得到的反应溶液离心分离得到固相产物，并用去离子水洗涤，干燥后获得白色粉末；