[发明专利]一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料，包括化学剥离多壁碳纳米管和硫纳米颗粒；所述化学剥离多壁碳纳米管包括n层碳纳米管，且至少一层碳纳米管的表面通过碳硫键结合固定有硫纳米颗粒；其中，从最外层碳纳米管开始计，所述化学剥离多壁碳纳米管中有m层碳纳米管的管壁包括有开口；所述n、m均为正整数，且n‑m≥1；所述化学剥离多壁碳纳米管和所述硫纳米颗粒的质量比为3:7～1:1。本发明还公开了上述基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料的制备方法和应用。本发明的锂硫电池正极材料通过碳硫键固定硫，用于锂硫电池具有循环稳定性好，库伦效率高等优点，制备方法简便，在锂硫电池中有广泛的发展前景。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域。更具体地，涉及一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，商业用可充电锂离子电池正极材料通常为锂过渡金属氧化物，如 LiCoO₂、LiMn₂O₄和LiFePO₄等，这些过渡金属在地球上比较稀少，而且现有的锂离子电池的理论比容量(LiCoO₂正极为274mA·h·g^-1)已不能满足大型电子设备(如电动汽车或大型智能设备)的需求。因此，高比容量、高性价比和环境友好型的电极材料成为了研究重点。

硫是一种含量丰富、价格便宜且环境友好的元素，其作为正极材料理论容量高达1675mA·h·g^-1，是一种优异的正极候选材料。但是，锂硫电池的实际应用受到几个因素限制。首先，硫及锂硫电池放电产物硫化锂(Li₂S)导电性差，使得电子传输受阻从而影响活性物质利用。其次，锂硫电池充放电过程中体积变化大且存在相转变过程，导致正极材料结构不稳定机械性能差。更为重要的是，由于锂硫电池放电过程中会生成可溶于电解液的多硫化物 (Li₂S_n,4≤n≤8)中间产物，这些中间产物穿梭至锂电极会发生不可逆的还原反应导致活性物质的损失，从而使得锂硫电池循环稳定性及使用寿命下降。

针对上述问题，研究者们提出了多种多样的方法来进行改善，大比表面积的导电碳材料通常用来修饰硫正极，通过物理作用的方法能在一定程度上改善活性物质损失的问题，但物理作用较弱不可避免地会造成活性物质的损失。

通过化学作用固定硫是一个更好的方法。目前的化学固定硫的方法主要是通过反硫化作用将硫与有机碳材料键联，但此过程较为复杂且导电性往往不佳。碳纳米管具有大的比表面积，且其结构有利于电子和锂离子传输，用于锂硫电池正极材料有很好的前景，基于碳纳米管来形成化学键固定硫的方法鲜有报道。

因此，需要提供一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料及其制备方法和应用，至少解决上述之一的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料。

本发明的另一个目的在于提供一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于化学剥离多壁碳纳米管的锂硫电池正极材料，包括化学剥离多壁碳纳米管和硫纳米颗粒；

所述化学剥离多壁碳纳米管包括n层碳纳米管，且至少一层碳纳米管的表面通过碳硫键结合固定有硫纳米颗粒；其中，从最外层碳纳米管开始计，所述化学剥离多壁碳纳米管中有m层碳纳米管的管壁包括有开口；所述n、m 均为正整数，且n-m≥1；