[发明专利]一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料、制备方法、及其制备的锂硫电池正极极片和电池

说明书

本发明提供了一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料及其制备与其在锂硫电池中的应用。该制备方法包括：将天然含碳有机物经过提纯、洗涤和煅烧得到生物质炭，将生物质炭、含氮有机物和含硫有机物研磨均匀，在氩气氛围下进行梯度煅烧，得到一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料，用于锂硫电池中表现出硫活性物质利用率高、放电比容量和库伦效率高、循环稳定性能好的特点，并且本发明中的氮、硫共掺杂中空生物质炭材料合成方法简单、对环境无污染。

技术领域

本发明涉及一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料的制备方法，及该氮、硫共掺杂中空生物质炭在锂硫电池正极材料中的应用，属于锂硫电池领域。

背景技术

当今世界，电动汽车的发展方兴未艾，其发展的瓶颈在于动力电池。目前的锂离子电池，正极材料比容量最高达到200mAh/g，电池能量密度最高250Wh/kg，远远不能满足电动汽车的进一步发展。锂硫电池是新一代电池体系，硫的比容量高达1675mAh/g，以锂片为负极，电池的能量密度高达2600Wh/kg，是理想的动力电池体系。此外，硫资源丰富，价格便宜，环境友好，这进一步显示了其光明的应用前景。

然而，锂硫电池存在某些天生的缺陷，其应用尚未得到展开。这些缺陷主要有，一是硫及反应产物硫化锂都是绝缘体，所以不能直接作为电极使用；二是电池反应的中间产物容易在现有的电解液体系中溶解扩散，这种现象会导致电池库伦效率和循环稳定性能低下。因此，改善正极材料导电性，抑制或减少多硫化物向电解液中溶解是提高锂硫电池性能的两个主要方面。

为了解决这些问题，人们主要采用将硫与导电材料结合做成复合材料的方法，其中碳材料由于其良好的导电性能和力学性能而获得非常良好的电化学性能，然而就目前来看，这些材料应用还不够普遍，因为其成本高昂，并对环境有一定的危害。而碳材料中的生物质炭来源广泛，价格低廉，孔隙发达，比表面积大，吸附性和导电性好，与硫的复合工艺简单，这些满足了在理硫电池正极材料中的应用要求。

发明内容

针对现有的锂硫电池正极材料存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过天然含碳有机物制备氮、硫共掺杂中空生物质炭材料，且特别适合于锂硫电池正极材料的生物质炭的方法。

本发明中的另一个目的在于提供一种所述氮、硫共掺杂中空生物质炭材料在制备锂硫电池正极材料的应用方法，制备的氮、硫共掺杂中空生物质炭材料应用于锂硫电池中表现出硫活性物质利用率高，放电比容量和库伦效率高，循环稳定性能好的特点。

为了实现本发明的技术说明，本发明提供了一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料的制备方法，该制备方法是将天然含碳有机物经过提纯、洗涤和煅烧得到生物质炭，将生物质炭、含氮有机物和含硫有机物研磨均匀，在氩气氛围下进行梯度煅烧，得到氮、硫共掺杂中空生物质炭材料。

在本发明的制备方法中，包括以下步骤：

步骤一、将天然含碳有机物研碎，加入有机溶剂超声分散洗涤抽滤，以去除天然含碳有机物的内部基质；

步骤二、将滤饼溶于有机溶剂中，磁力搅拌、静置、洗涤抽滤，以便固定花粉形貌；

步骤三、接着将滤饼溶于硫酸溶液中，水浴磁力搅拌，进行抽滤、洗涤、抽滤，至中性，干燥之后得到中空生物质炭；

步骤四、将中空生物质炭、含氮有机物和含硫有机物研磨均匀，在惰性气体氛围下进行梯度煅烧，得到一种氮、硫共掺杂中空生物质炭材料。

优选地，所述的天然含碳有机物为柚子皮、柳絮、荷花粉中的一种或者为其它纤维素质植物材料；有机溶剂为甲醇、乙醇和甲醛中的一种或两种以上的混合溶液。

优选地，所述的含氮有机物为三聚氰胺、苯胺等；含硫有机物为硫酸铵、硫化铵或硫粉等。

优选地，步骤一中采用25℃、80-100HZ超声1h。

优选地，步骤二中采用磁力搅拌1h、静置1h。