[发明专利]硼掺杂碳包覆镍纳米材料、高循环稳定性的锂硫电池正极活性物质及其制备方法和锂硫电池

说明书

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，公开了一种硼掺杂碳包覆镍纳米材料、高循环稳定性的锂硫电池正极活性物质及其制备方法和锂硫电池。该纳米材料包括硼掺杂碳包覆镍纳米颗粒，硼掺杂碳包覆镍纳米颗粒含有金属态镍内核和包覆在金属态镍内核表面的硼掺杂石墨化碳层外壳，硼掺杂碳包覆镍纳米材料的孔径至少具有一个介孔峰。该纳米材料由于含有严密包覆的硼掺杂石墨化碳层/金属态镍核壳结构，避免了金属态镍的团聚，甚至在空气中自燃，或与反应中间产物发生副反应，改善了其化学稳定性；该纳米材料还具有丰富的介孔结构，有利于电池反应中反应物及产物的传质扩散，采用该纳米材料的正极活性物质制备得到的锂硫电池具有高循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种硼掺杂碳包覆镍纳米材料、高循环稳定性的锂硫电池正极活性物质及其制备方法和锂硫电池。

背景技术

锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh g^-1)和高理论能量密度(2600Wh kg^-1)，环境友好、安全无毒、成本低廉等优点，被认为是下一代最具前景的高能量二次电池体系而备受关注。使用单质硫作为锂硫电池的正极材料与金属锂配对组成全电池时，平均放电电压为2.15V，电池的比能量相对较高。此外，单质硫来源丰富和环境友好并且在充放电反应过程中不会发生析氧等副反应。然而，由于锂硫电池的固有性质，电池的实际能量密度很难达到理论值。此外，较差的循环稳定性阻碍了其商业化开发。存在的问题主要有：1)单质硫和放电产物Li₂S的低导电率易导致活性材料电化学活性低、利用率低。常温下，硫的电导率极低(5×10^-30S·cm^-1)；2)单质硫与Li₂S的密度差异较大，造成巨大的体积膨胀(80％)，导致活性材料的结构被破坏及粉碎，活性物质的利用率明显下降；3)单质硫在氧化还原过程中会产生可溶性的多硫化锂和不溶性的Li₂S₂/Li₂S，而且电池在充放电过程中不仅存在电场力，还会因浓度差的存在产生浓度梯度力，导致多硫化锂在正、负极之间自由迁移，降低了放电过程中的活性物质的有效利用率。

为了解决上述问题，将单质硫与其他具有高导电性和结构稳定性的材料复合是提高锂硫电池电化学性能的一种有效方法。由于碳材料来源丰富，价格相对低廉，结构稳定，将单质硫在高温下熔融后均匀分散在多孔的碳材料中，可减少硫的聚集，适当地增加了正极材料的活性，提高活性物质的利用率。尽管多孔碳材料能够将多硫化锂限制在孔结构中，但二者之间只是较弱的物理相互作用，很难将多硫化锂有效地固定在正极区域。另外，根据相似相溶性原理，一旦非极性的硫转化为极性的多硫化锂，其与非极性碳材料的作用力就会减弱，导致多硫化锂在电解液中的溶解更加容易，使活性物质与电极表面的接触变弱，多硫化锂转化为不溶性Li₂S₂/Li₂S的反应动力学迅速变差，使得锂硫电池的循环稳定性不佳。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的锂硫电池的循环稳定性不佳的问题，提供一种硼掺杂碳包覆镍纳米材料、高循环稳定性的锂硫电池正极活性物质及其制备方法和锂硫电池，以提升锂硫电池的循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硼掺杂碳包覆镍纳米材料，该硼掺杂碳包覆镍纳米材料包括硼掺杂碳包覆镍纳米颗粒，所述硼掺杂碳包覆镍纳米颗粒含有金属态镍内核和包覆在所述金属态镍内核表面的硼掺杂石墨化碳层外壳，所述硼掺杂碳包覆镍纳米材料的孔径至少具有一个介孔峰。

本发明第二方面提供如第一方面所述的硼掺杂碳包覆镍纳米材料的制备方法，该制备方法包括：

(1)将镍源、多元有机羧酸与硼源和溶剂形成均相溶液，然后除去所述均相溶液中的溶剂，得到前驱体；

(2)在惰性气氛或还原气氛下，将所述前驱体进行高温热解。