[发明专利]一种碳硫复合电极及制备和应用

说明书

本发明公开了一种制备以氮化碳和碳的复合材料为主体材料的硫/氮化碳‑碳复合电极及其在锂硫电池中的应用，以一种或两种以上有机高分子树脂与硫/氮化碳‑碳复合物和导电剂混合，刮涂在集流体上干燥得到硫/氮化碳‑碳复合电极。所述电极，由氮化碳和碳材料相复合作为主体材料，充硫后得到硫/氮化碳‑碳复合电极，对锂硫电池循环过程中产生的多硫化物有强的化学吸附作用，抑制多硫化物的飞梭，提高电池的循环稳定性和循环寿命。碳材料可以显著改善氮化碳材料的导电性，同时有利于前驱体的分散，减少氮化碳颗粒的尺寸，提升离子电子传导率，降低极化，提高倍率性能。制作工艺简单，材料成本低，性能稳定，具有良好应用前景。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池用硫/氮化碳-碳复合电极的制备和应用。

背景技术

锂硫电池因其理论比容量高、成本低、环境友好等特点成为具有良好潜力的新一代二次电池之一，具有广阔的应用前景。锂硫电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成，电池总反应方程式为：16Li+S₈→8Li₂S，在电池循环过程中主要由于(1)正极放电过程伴随80％体积膨胀；(2)正极活性物质硫导电性差；(3)飞梭效应(多硫化物溶解在电解液中受浓度影响在正负极间扩散)等，导致电池性能下降，影响锂硫电池的产业化发展。目前主要采用碳硫复合正极来改善这些缺陷，为进一步增强电极的固硫性能，在碳材料中引入氮、氧等杂原子掺杂，通过杂原子极性基团与多硫化物的极性相互作用抑制飞梭效应。研究表明吡啶型氮原子与多硫化物间的极性相互作用最强，但是通过传统的氮原子掺杂手段，如在氨气条件下高温处理或与三聚氰胺混合煅烧等方式，氮原子的含量难以超过15at％，通常掺杂量在10at％以下并且调控困难，氮原子活性位点密度较低限制了材料的固硫性能，并且掺杂的氮原子除吡啶氮外还有吡咯型氮和石墨型氮等，它们与多硫化物的相互作用弱与吡啶型氮，进而影响了固硫能力。有研究者将氮化碳材料作为正极主体材料，具有57％的理论氮原子含量，氮原子活性位点密度显著高于传统的氮掺杂碳材料，并且氮化碳材料中氮原子以吡啶型氮为主，固硫能力较强。但是氮化碳自身导电性差，并且常规方法合成的氮化碳大多为低比表面的大颗粒产物，实际作用效果有限。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂硫电池用硫/氮化碳-碳复合电极。在本发明中，采用氮化碳材料和碳材料复合的方式，以碳材料构建连续的导电网络，氮化碳材料负载与碳材料表面和孔结构内，再将硫负载到氮化碳材料上，弥补了氮化碳材料导电性差的缺点，同时增强了氮化碳材料的分散性，减小粒径提高比表面，使活性物质硫分布更均匀并与主体材料接触更充分，降低电池的极化，提高循环性能和倍率性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用硫/氮化碳-碳复合电极。

以一种或两种以上有机高分子树脂、导电剂与硫/氮化碳-碳复合物于有机溶剂中混合，刮涂在集流体上，干燥后得到硫/氮化碳-碳复合电极。

所述有机高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的一种或二种以上。

所述导电剂为商业化碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭中的一种或二种以上。