[发明专利]一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将间苯二酚、甲醛、硫源、氮源、硼源和分散剂加入水中，加热搅拌，得到混合液；S2、将所述混合液过滤后，将得到的滤饼高温干燥，得到前驱体粉末；S3、将所述前驱体粉末在高纯氮气气氛下煅烧，得到氮硫硼共掺杂碳气凝胶；S4、将所述氮硫硼共掺杂碳气凝胶与升华硫混合研磨均匀，在空气气氛下烧结，即得。本发明还公开了氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料及其作为锂硫电池正极材料的应用。本发明制作方法简单、便于调控，制得的材料能有效解决锂硫电池的穿梭效应以及体积膨胀等问题，改善锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着国家对新能源方向的重视，各界人士纷纷开发高能量密度的、环保型的电池。锂硫电池作为一种非常有潜力的电池，理论克容量高达1675mAh，进入各界人士的眼帘。而且单质硫具有来源广泛、无毒、无害、廉价、对环境友好等优点。虽然锂硫电池具有这些优势，但是其缺点也是不容忽视的。单质硫导电性低，不能直接作为正极材料；循环过程硫电极会有较大的体积变化，影响电池的循环寿命；在充放电过程中会产生多硫化物，造成穿梭效应，降低活性材料的利用率，影响了锂硫电池的电化学特性。

对于上述提及到的问题，专家们进行了深入的研究分析。目前很多学者采用碳材料与硫复合的形式构成正极材料。其中碳材料具有高的导电性，以及多孔结构，互联的多孔结构可以固定单质硫以及多硫化物，但是这种物理吸附能力较弱，不能有效减小穿梭效应。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料及其制备方法和作为锂硫电池正极材料的应用。碳气凝胶具有大的比表面积和微孔互联结构，能够物理吸附多硫化物，同时氮硫硼共掺杂可以提供多种官能团进行化学吸附多硫化物，有效减小穿梭效应。

本发明提出的一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将间苯二酚、甲醛、硫源、氮源、硼源和分散剂加入水中，加热搅拌，得到混合液；

S2、将所述混合液过滤后，将得到的滤饼高温干燥，得到前驱体粉末；

S3、将所述前驱体粉末在高纯氮气气氛下煅烧，得到氮硫硼共掺杂碳气凝胶；

S4、将所述氮硫硼共掺杂碳气凝胶与升华硫混合研磨均匀，在空气气氛下烧结，得到氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料。

优选地，所述间苯二酚与甲醛的摩尔比为1：1.5～2.5；所述间苯二酚与硫源、氮源、硼源、分散剂的摩尔比为1：(0.1～0.5)：(0.1～0.4)：(0.05～0.2)：(0.005～0.01)。

优选地，所述氮硫硼共掺杂碳气凝胶与升华硫的质量比为1：(1.5～2.5)。

优选地，所述步骤S1中，加热搅拌温度为60～90℃，加热搅拌时间为24～36h。

优选地，所述步骤S2中，高温干燥温度为90～120℃，高温干燥时间为12～24h。

优选地，所述步骤S3中，煅烧温度为800～1000℃，煅烧时间为2～3h。

优选地，所述步骤S4中，烧结温度为160～180℃，烧结时间为10～16h。

优选地，所述硫源为硫脲、十二硫醇或其组合；所述氮源为三聚氰胺、尿素或其组合；所述硼源为硼酸、硼砂或其组合；所述分散剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。

一种氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料，由所述的制备方法制得。

所述的氮硫硼共掺杂碳气凝胶基硫复合材料作为锂硫电池正极材料的应用。