[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

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。本发明的锂硫电池正极材料，具体为含有原位掺杂氮和硫元素的多孔结构碳的硫碳复合材料。本发明制备方法：(1)在高温惰性气氛条件下，将蚕沙碳化，得到含有原位氮和硫元素掺杂的碳材料；(2)将上述碳材料经氢氧化钾活化，得到多孔碳；(3)将多孔碳与硫高温混合，即得到硫碳复合正极材料。本发明的碳和活性物质硫之间具有较强的物理和化学作用，能有效地抑制“穿梭效应”，提高硫的利用率和结构稳定性。采用本发明制备的锂硫电池正极材料电化学性能优异，成本低廉，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料领域，具体涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

当今，为了满足电动汽车和能量储存系统对能量日益增长的需求，开发具有高能量密度的储能系统迫在眉睫。而目前主要的储能系统为锂离子电池，其实际比能量密度不超过240wh kg^-1，已经不能满足现今社会对能源的需求。从而具有更高比能量密度的锂硫电池受到广泛关注。锂硫电池采用硫作为正极材料，其理论比能量密度可达2600wh kg^-1。此外，硫还具有储量丰富、价格便宜及无环境污染等优点，因此，锂硫电池在未来储能领域具有巨大的应用前景。但是硫正极循环稳定性差，容量衰减快，产生此问题的原因在于硫及其放电终产物导电性差，并且硫的部分放电中间产物可溶于电解液产生所谓的“穿梭效应”，导致活性硫不可逆的容量损失及充放电效率低下。

针对上述问题，其中一种最有效的方法是将导电碳和硫复合，通过物理和化学作用使得碳和硫之间结合紧密，从而改善锂硫电池循环稳定性。然而目前碳的制备工艺较为复杂，成本较高，且碳和硫之间的结合力有限。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料为硫碳复合材料，所述硫碳复合材料中硫和碳的质量百分比分别为：硫50％-80％，碳20％-50％。其中碳的前驱体是蚕沙，在蚕沙碳化过程中，原位实现氮和硫两种掺杂元素的掺杂，且所得碳为多孔结构，其孔径为1～100nm，这种特性能够有效增强碳和硫之间的物理和化学作用，抑制穿梭效应，改善锂硫电池的倍率性能和循环性能。

作为优选，所述碳的掺杂元素为氮和硫元素，氮的掺杂量为1％-10％，硫的掺杂量为1％-10％。

作为优选，所述碳为多孔结构，孔的直径为1-100nm。

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将蚕沙过筛，并将过筛后的蚕沙进行球磨破碎；

(2)用盐酸将球磨后的蚕沙进行酸洗去除金属杂质，盐酸浓度为0.5-10mol L^-1，随后将酸洗后的蚕沙水洗至中性，并干燥；

(3)将干燥后的蚕沙放入炉中进行高温碳化；

(4)将碳化后的碳材料与氢氧化钾进行机械混合，并在高温下进行活化；

(5)将活化后的碳进行水洗至中性并干燥后，将得到的碳与硫在高温下混合，得到硫碳复合正极材料。

作为优选，所述步骤(1)中球磨时间为1-10h。

作为优选，所述步骤(3)中高温碳化过程的碳化温度为600-900℃，碳化时间为4-8h，碳化气体为氮气或氩气。

作为优选，所述步骤(4)中的高温活化过程的活化温度为600-800℃，活化时间为4-12h，活化气体为氮气或氩气。

作为优选，所述步骤(4)中碳和氢氧化钾的质量百分比分别为：碳30％-60％，氢氧化钾40％-70％.

作为优选，所述的蚕沙为碳前驱体。