[发明专利]氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用。该材料为直径100～400纳米的球形核‑壳结构，外层化学成分包括有占外层总质量分数70％～90％的碳元素和质量分数为5％～20％的氮元素；内层化学成分包括有占内层总质量分数80％～95％的硫元素；内层化学成分占氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料总质量分数的65％～72％。该制备方法包括聚合物物料选择与配比，氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及电极的制备工艺的优化。本发明解决了锂硫电池正极材料商用的技术关键，采用本发明制备的正极材料能够明显增加电极活性硫的载量，增强锂硫电池电极的循环稳定性能，且延长了使用寿命，降低了生产成本，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及材料制备和能源储存领域，属于锂硫电池正极材料领域，具体是指氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子产品的日新月异发展和国家的新能源战略实施，制备更高比能量密度的锂离子电池成为市场的急需。锂硫电池具有高达1672毫安时/克的理论质量比容量和2600瓦·时/千克的理论质量比能量密度，远远高于商业上广泛应用的三元锂电池正极材料，是一种非常有前景的锂电池。更重要的一点是，封闭的锂硫电池系统与锂离子电池类似，在电池制造方面，从锂离子电池到锂硫电池的转换更简单有效，从而使其比开放锂-空气系统更具商业可行性。另外，从经济性角度来看，单质硫不仅对环境及人类影响极小，而且是地球上丰度最高的元素之一，它目前的均价仅为0.25美元/千克，而这还不足LiCoO₂(均价为40美元/千克)价格的百分之一。同时，由于硫的易升华及反应产物易溶解的特性，在传统正极材料中回收硫比回收金属更加符合成本效益。这些优点使锂硫电池相对于锂离子电池而言拥有巨大的成本优势。就大规模的储能装置方面来看，成本的控制显得尤为重要，每个电池单元成本节省的积累，对于建立和推广固定式储能电池将带来巨大的经济利益。目前锂硫电池的最新研究进展表明锂硫电池原料成本只是市场上同容量的锂离子电池一半，产品市场化有很好的基础。

但是锂硫电池的商业化应用还存在一些关键问题亟需解决，在硫正极方面，主要有以下几点导致其电化学性能较差：一、单质硫和多硫化合物较低的电导率(电导率为5×10^-30西门子/厘米)，使得放电时部分电极所负载的硫单质不能依照反应S+2Li⁺+2e^-→Li₂S进行，从而导致活性硫的利用率低；二、在反应过程中，生成的多硫化合物(即Li₂S₈，Li₂S₆，Li₂S₄)极易溶解于常用的醚类电解液中并在充放电过程中在正负极间来回穿梭，形成“穿梭效应”，导致电池的循环稳定性较差；三、由于电池正极充电产物和放电产物的密度不同，导致放电后正极的体积发生膨胀(最大为80％)，充放电循环过程中电极的体积反复变化，这使活性物质容易从集流体脱离，同样也导致电池循环性能的下降。

发明内容

本发明的首要目的在于解决锂硫电池商业化亟需的技术关键，克服现有技术中锂硫电池循环稳定性差、循环寿命短的不足之处，提供一种氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料。

本发明的目的之二是提供上述氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料的制备方法。

本发明的目的之三是提供上述氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料在锂硫电池制备中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料，其特征在于，该材料为直径100～400纳米的球形核-壳结构，外层化学成分包括有占外层总质量分数70％～90％的碳元素和质量分数为5％～20％的氮元素；内层化学成分包括有占内层总质量分数80％～95％的硫元素；内层化学成分占氮掺杂中空球形碳包覆硫正极材料总质量分数的65％～72％。

氮掺杂中空球形碳包覆硫材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤及其工艺条件：