[发明专利]锂硫电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池正极、锂硫电池。所述锂硫电池正极材料制备方法包括的步骤有：制备中空碳纳米微球前驱体；对中空碳纳米微球前驱体进行炭化和活化处理；将硫单质沉积在氮掺杂中空碳纳米微球进行炭化和活化处理。本发明制备方法制备的锂硫电池正极材料具有较大比表面积，良好的润湿性和高单质硫的含量，并显著提高固硫性能，有效抑制多硫化物的“穿梭效应”等电化学性能。所述锂硫电池正极、锂硫电池含有本发明方法制备的锂硫电池正极材料。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了应对社会日益增长的能量消费需求，各国大力发展可再生能源以逐步替代现有的化石能源。而能源储存和转换装置在能源管理方面起着关键的作用。二次电池是目前使用最为广泛的储能设备，其中锂离子电池由于具有较高的能量密度(150-200Wh/kg)和较好的循环稳定性占据了主要的市场。然而随着目前锂离子电池的实际能量密度已经非常接近其理论能量密度，难以产生巨大的突破。

而锂硫电池近些年来被认为是非常有发展潜力的储能设备。单质硫来源广泛，价格便宜，且对环境友好，其理论比容量高达1675mAh/g，远高于目前最先进的锂离子电池正极材料。尽管锂硫电池有着诸多优点，但相比于锂离子电池，它的循环性能非常差。

各种各样的材料被用来改善硫正极的性能，其中导电性较好，比表面积和孔体积较大的碳材料被认为是非常有前途的锂硫电池正极材料。碳基材料，比如活性炭，碳纳米管，石墨烯等都有着优良的导电性，通过碳材料与硫的复合，可以使锂硫电池正极材料的导电性大大提高，同时由于碳的吸附性也可降低多硫化物的溶解。而中空碳纳米微球不仅具有中空粒子的低密度、表面渗透性好、总孔容大等优点，还具有碳纳米材料的比表面积大、稳定性高、多孔性等特性，因此被认为在储能方面有巨大的应用前景。

传统的制备中空碳纳米微球的方法是：先制备SiO₂等球形模板，然后在模板上包裹上碳材料的前驱体，前驱体碳化后再用HF酸等强腐蚀性化学品将模板腐蚀后才能得到少量的中空碳纳米微球。传统的硬模板法制备中空碳纳米微球过程繁琐，耗时久，产量低，并且还要用到高危险性的化学品。而且按照现有方法制备的中空碳纳米微球润湿性差，表面积利用率和电化学性能不理想，从而导致以现有硬模板法制备中空碳纳米微球形成的锂硫正极材料电化学性能不理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法，以解决现有中空碳纳米微球形成的锂硫正极材料电化学性能不理想技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种锂硫电池正极和锂硫电池，以解决现有锂硫电池正极和锂硫电池由于锂硫正极材料的原因导致锂硫电池初始充放电容量和倍率性能低，循环稳定性不理想的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种锂硫电池正极材料的制备方法。所述锂硫电池正极材料的制备方法包括以下步骤：

将吡咯和苯胺在含有软模板的水溶液中进行聚合反应，得到中空碳纳米微球前驱体；

将所述中空碳纳米微球前驱体进行洗涤，粉化处理，再经炭化处理和氨水活化处理，得到氮掺杂中空碳纳米微球；

将所述氮杂中空碳纳米微球与单质硫进行混合物后，于密闭环境中进行热处理，使得所述单质硫挥发并沉积在所述氮掺杂中空碳纳米微球中。

本发明的另一方面，提供了一种锂硫电池正极材料。所述锂硫电池正极材料为由本发明锂硫电池正极材料制备方法制备获得。

本发明的再一方面，提供了一种锂硫电池正极。所述锂硫电池正极包括集流体和结合在所述集流体上的正极活性层，所述正极活性层包括硫正极材料、导电剂和粘结剂，其中，所述硫正极材料为本发明锂硫正极材料。