一种高性能锂硫电池正极用碳材料的制备方法

本发明涉及一种高性能锂硫电池正极用碳材料的制备方法，属于锂硫电池正极。

背景技术：

1、随着新能源汽车和电子产品市场的空前繁荣，人们越来越重视储能技术，而传统的三元锂电池和磷酸铁锂电池因其能量密度较低且原材料昂贵，越来越无法满足人们的需求。因此，开发一种新型的具有高能量密度、低成本的储能器件已迫在眉睫。锂硫电池（lsbs）凭借其高理论容量(1675 mah/g)和能量密度成为了下一代储能技术的有力竞争者，并且锂硫电池的活性物质-硫原材料价格低廉、分布广泛，在成本控制方面也具有显著的优势。

2、但是，锂硫电池也存在一些缺陷使其难以商业化。首先，硫的导电性较差，这会阻碍在电池充放电的过程中正极内离子/电子的传输，减缓氧化还原动力学，使得电池的容量性能不理想，硫的利用率低。此外，在放电过程中，硫最终会被还原为导电性差的固相产物li2s和li2s2，由于硫和锂的密度差异较大，所以会在电池的充放电过程中产生巨大的体积变化，在多次循环过程中的反复体积变化最终会导致电极结构的坍塌，使电池失效。锂硫电池最为严重的问题为“穿梭效应”，即充放电过程中的中间产物多硫化物（lipss）会溶解在醚类电解液中，穿梭至锂金属负极，导致容量迅速衰减。

3、为此，研究人员做出诸多工作来对正极用碳材料进行改性。如，将极性材料引入碳基材料，可以有效的解决上述问题，提高电池性能。wang等人在纳米笼状mof衍生碳（标记为fesa-cn）上合成了铁基单原子负载（journal of materials chemistry a, 2020, 8(6):3421-30），用于硫物种的选择性吸附和催化转化，显著提高了硫的转化。【cn114744370a】中，将负载金属单原子催化剂的碳纳米纤维用作锂硫电池的正极，显著提高了可溶性多硫阴离子的催化转化，有效地抑制了多硫阴离子的穿梭效应。

4、上述碳材料制备方法过程复杂，耗时较长。本发明提供的方法制备过程简单，在一次水热过程中赋予碳材料以co原子催化位点和b、n协同功能，使多硫阴离子的催化转化更加高效，能够有效解决多硫阴离子的穿梭效应，从而制备得到高性能锂硫电池器件。

技术实现思路

1、本发明提出一种高性能锂硫电池正极用碳材料的制备方法，其目的在于将b、n元素掺杂到氧化石墨烯片层上，同时将co原子负载在氧化石墨烯的片层上，使形成co-n-c的配位结构。此结构不仅用于降低界面阻抗，而且有助于实现对多硫化物的吸附催化和再利用，减少对锂金属负极的腐蚀，从而提高锂硫电池的电化学性能。具体内容主要包括以下步骤：

2、步骤s1，称取一定量的氧化石墨烯放入一定量的去离子水中，进行超声分散；

3、步骤s2，按一定比例分别称取乙二胺、五硼酸铵和硝酸钴倒入s1中的溶液中，搅拌一定时间后移入水热反应釜内衬中，进行水热反应制备前驱体浆料；

4、步骤s3，将所得的浆料进行抽滤、洗涤，置于冷冻干燥机中烘干，获得锂硫电池正极用碳材料。与一定量硫物质混合处理后得到具有高性能的锂硫电池用复合正极材料。

5、进一步地，在步骤s1中，氧化石墨烯在水溶液的浓度为1-4 mg/ml。

6、进一步地，在步骤s2中，水热反应的温度为180~220℃，反应时间8~15 h。

7、进一步地，在步骤s3中，冷冻干燥机运行过程中的真空程度为1-10 pa，干燥时间为12-36 h。

8、本发明具有以下优点和积极效果：

9、1、本发明在b、n元素掺杂到氧化石墨烯片层上的同时，将钴原子负载在氧化石墨烯的片层上。与单纯的氧化石墨烯相比，b、n掺杂可以有效的提高碳材料的导电性，钴原子的加入可以与氮原子之间形成co-n-c的配位结构，从而有效的吸附可溶性多硫阴离子，并加速其催转化，从而提高锂硫电池充放电过程中的氧化还原反应动力学；

10、2、在水热过程中，氧化石墨烯中含有的大部分含氧官能团也被消除掉，变为还原氧化石墨烯，导电性增强，从而进一步提高硫的利用率；

11、3、本发明制备路线简单、成本低廉、合成工艺简便、设备要求简单、产品周期短，无污染，且易于进行工业化生产。

技术特征：

1.一种高性能锂硫电池正极用碳材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤s1中，一定量氧化石墨烯放入去离子水中，进行超声分散，氧化石墨烯水溶液的浓度为1-4 mg/ml。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤s2中，反应物的加入顺序为先加乙二胺，搅拌至均匀后再依次加入五硼酸铵和硝酸钴。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤s2中，乙二胺的加入后，其浓度为1-4 μl/ml，五硼酸铵的加入后浓度为10-50 mg/ml，硝酸钴的加入后溶度为1-5 mg/ml。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤s2中，水热反应的温度为180-220℃，反应时间8-15 h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于在步骤s3中，冷冻干燥的时间为12-36h。

技术总结一种高性能锂硫电池正极用碳材料的制备方法，其中，通过水热法将B、N元素掺杂到氧化石墨烯片层；同时，将Co原子负载在氧化石墨烯的片层上。所得到的Co‑N‑B石墨烯与一定量的硫复合得到高性能复合锂硫电池正极材料。与单纯的氧化石墨烯相比，B、N掺杂可以有效的提高碳材料的导电性，Co原子的加入可以与氮原子之间形成Co‑N‑C的配位结构从而有效的吸附多硫化物并加速多硫化物的转化，从而提高锂硫电池充放电过程中的氧化还原反应动力学。技术研发人员：金永成,王富冉,王天成,石泽浩,陈凡伟,殷其德受保护的技术使用者：中国海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/5/29