[发明专利]含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料的制备方法及其在锂硫电池正极中的应用

说明书

本发明提供了一种含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料的制备方法及其在锂硫电池正极中的应用，其制备方法为：将碳管取适量碳材料与硫单质混合研磨，加入CS₂充分搅拌之后烘干制得含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料；将含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料与碳纳米管、聚偏氟乙烯混合，然后加入N‑甲基吡咯烷酮，以及1％～10％含铁卟啉，搅拌并超声分散均匀，得到浆料，将所得浆料均匀涂覆在集流体铝箔上，然后烘干，即得含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料；本发明制备方法，操作简单，条件温和，易于大规模生产；可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种用于锂硫电池改善其电化学性能以及抑制多硫化物穿梭效应等方面的含铁卟啉/碳纳米管复合材料的制备方法及其在锂硫电池正极中的应用。

背景技术

随着社会科技和经济的高速发展，储能成为了许多创新技术的关键，电池技术在电动汽车等新兴概念的推动下取得了巨大进步，各种机制的电池得到开发，但是锂硫电池却是下一代储能技术中最具有潜力的，因为锂离子电池自1991年商业化以来，经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能系统仍不尽人意。而锂硫电池却具有很多优势，它的理论比容量为1675 mAh·g^-1，是传统锂离子电池的10倍，并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。但是，锂硫电池中硫的绝缘性、多硫化物的穿梭效应、化学反应动力学过程缓慢等原因，成为了锂硫电池在商业应用过程中的阻碍。

过去十年中，科研工作者深入研究了如何抑制多硫化物的穿梭效应，主要是通过物理吸附将硫限制在各种多孔碳材料中，但是这种电极材料的活性物质负载量低，对多硫化物的吸附能力有限，所以对提高电池性能收效甚微。最近，人们将电催化方法应用到锂硫电池中，利用Au、Pt等贵金属最为催化剂加快反应动力学同时抑制多硫化物的穿梭效应。这种方法效果显著但是成本高昂，无法实现商用。

为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须研究开发成本低廉的催化材料和简便成本较低的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料的制备方法，本发明首次将含铁卟啉对多硫化物具有催化作用的金用于锂硫电池正极材料中，并制成浆料涂覆在传统硫锂电池铝箔材料上，改善了硫锂电池正极的导电性和多硫化物的穿梭效应等问题，展现出了优异的循环稳定性，具有大规模生产的优势。

作为本发明的第一个方面，本发明提供一种包括以下步骤：

（1）碳材料载硫复合材料的制备：

碳材料与单质硫按质量比1：1~4混合，研磨均匀后以料液质量比1：10~15加入CS₂中搅拌，然后置于10~30℃下至CS₂挥发完全后，剩余物质于120~160℃烘箱中保温8~12h，之后冷却至室温，即得碳材料载硫复合材料，所述的碳材料为碳纳米管或石墨烯；

（2）含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料的制备：

将步骤（1）所得碳材料载硫复合材料与导电添加剂、粘结剂按质量比1：0.05~0.25：0.05~0.15混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮，以及在浆料中质量占1~10wt%的含铁卟啉，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000~10000cps，得到浆料，将所得浆料以150~400μm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40~60℃烘箱内烘干，即得含铁卟啉/碳纳米管复合正极材料。

进一步设置是所述的导电添加剂为碳纳米管，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯。

进一步设置是步骤（2）中所述集流体铝箔的厚度为30μm，在使用前用N-甲基吡咯烷酮和酒精清洗，以除去表面氧化层和杂质。