[发明专利]钴氮掺杂碳材料在全固态锂硫电池正极中的应用及制备

说明书

钴氮掺杂碳材料在全固态锂硫电池正极中的应用及制备，涉及锂硫电池。所述钴氮掺杂碳材料由碳源、氮源和钴源为原料分散在有机溶剂中，通过超声搅拌分散，高温烧结制得。可作为导电基质材料在制备全固态锂硫电池复合正极材料中应用，进而制备全固态锂硫电池。钴氮掺杂碳材料具有良好核壳结构，缓解硫体积膨胀效应，提高电池可逆比容量和循环寿命，电池可在50wt％和6mg/cm²的高硫含量和高硫面载量下，以0.2mA/cm²电流密度进行循环，首圈放电比容量大于1200mAh/g，经过30次循环后容量保持率≥90％；由于采用固态电解质替代有机液态电解质，故不涉及多硫化物的穿梭效应，同时可解决燃烧和泄漏等安全问题。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，特别是涉及一种钴氮掺杂碳材料在全固态锂硫电池正极中的应用及制备。

背景技术

随着可携带电子设备和电动交通工具等领域的迅猛发展,传统锂离子电池已不足以满足当前人们的需求,新一代二次电池的开发迫在眉睫。锂硫电池凭借其高能量密度和高理论比容量成为近来研究的热点,其还具有成本低和对环境友好的优点。然而在传统的液态锂硫电池中，可溶性多硫化锂中间产物的生成及其在电解液中的溶解和扩散会导致正极活性材料损失和金属锂的腐蚀，降低电池的库仑效率。而且,采用有机电解液存在漏液和易燃的风险。

在全固态锂硫电池中，硫的转化由于不涉及可溶性多硫化物的生成，因此可以从根本上解决多硫化物穿梭效应。另一方面，固态电解质固有的刚性和不可燃性能够降低燃烧风险，显著提高电池安全性。但是，全固态锂硫电池的实际应用仍然是一个巨大的挑战，首先硫是一种电子和离子绝缘体，硫的电化学反应强烈依赖于通过硫、固体电解质和导电添加剂之间三相界面的电子和离子传输，为提高硫的利用率，通常添加更多的导电剂和固体电解质来传输电子/离子，从而降低复合正极中活性物质的含量，进一步降低电池的能量密度；其次由于硫和硫化锂的密度差异导致在充放电过程中产生较大的体积变化，容易导致电化学接触劣化，造成容量的快速衰退。因此，研究和开发具有高硫活性物质含量且循环稳定的硫正极材料对推动全固态锂硫电池实用化发展至关重要。

发明内容

本发明的第一目的在于提供具有硫活性物质含量高，循环稳定性好的一种钴氮掺杂碳材料。

本发明的第二目的在于提供一种钴氮掺杂碳材料的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种钴氮掺杂碳材料在全固态锂硫电池正极材料中的应用。

一种钴氮掺杂碳材料，由碳源、氮源和钴源为原料分散在有机溶剂中，通过超声搅拌分散，高温烧结制得，结构通式为Co₃O₄/Co-N-C。

所述钴氮掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1)酸处理碳源；用浓酸对碳源进行油浴回流处理，冷却至室温后，除去残留的酸，真空干燥；

2)配料；将氮源、钴源和步骤1)中的酸处理碳源加入到有机溶剂中；

3)超声分散；步骤2)配料在超声分散作用下形成均相悬浮液；

4)干燥；将步骤3)获得的均相悬浮液升温搅拌至溶剂完全蒸干，得到前驱体粉末；

5)热解；将步骤4)获得的前驱体粉末在惰性气氛中高温热解，获得黑色粉末样品，即为所述钴氮掺杂碳材料。

在步骤1)中，所述浓酸为浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸中的一种，优选硝酸；所述浓酸用量mL可为商业化KB重量的48～72倍mL/g，优选浓酸用量mL为商业化KB重量的60倍mL/g；所述碳源为乙炔黑、Super-P、科琴黑、BP2000中的一种，优选为科琴黑；所述回流的温度可为70～80℃，回流的时间可为7～8.5h；优选回流的温度80℃，回流的时间8h；所述真空干燥的温度可为100～110℃，真空干燥的时间可在12h以上，优选真空干燥的温度为110℃。