氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法技术

技术编号:19010794 阅读:160 留言:0更新日期:2018-09-22 10:25
本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法,属于电池材料领域。该氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到:将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶;含氮有机化合物与间苯二酚的摩尔比为1:150~1:100;将有机湿凝胶干燥,得到有机凝胶;将有机凝胶高温碳化,得到颗粒状的氮掺杂碳材料。将该氮掺杂碳材料作为锂硫电池中正极材料的基体使用,能够有效地吸附多硫化物,减少溶解于电解液和沉积于锂负极的多硫化物;在锂硫电池电循环充放电过程中,氮掺杂碳材料可增强正极的导电性能,减少硫化物的生成量,可明显改善锂硫电池的循环充放电性能。

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法
本专利技术涉及电池材料领域,特别涉及一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会和经济的飞速发展,对化石能源的需求日益增加,面对化石能源资源枯竭问题,需要寻求新的可替代能源。同时,随着环境保护意识的增强,以及降低碳排放的呼声日益高涨,动力锂电池作为驱动电源的新能源汽车已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。但是,尽管以动力锂电池作为驱动电源的新能源车已大量普及,仍面临着续驶里程不足、频繁充电带来的体验差等问题。为此,开发高比能量的动力锂电池显得非常紧迫,而锂硫电池因具有较高的能量密度而备受关注,其理论比能量2680Wh/kg,而传统锂离子电池理论比能量仅为400~600Wh/kg,因此,锂硫电池的研究开发具有非常重要的现实意义。相关技术中,锂硫电池以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极,锂硫电池在放电时,负极反应为锂失去电子变为锂离子,正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。通过电子和离子在电解液中向正极或者负极传输,实现锂硫电池的循环充放电。以正极材料为石墨烯/硫/乙炔黑为例,其首次放电容量1550.0mAh/g,0.6C充放电100次,容量764.0mAh/g,容量保持率为49.3%;1.2C充放电100次后577mAh/g,容量保持率37.2%。专利技术人发现相关技术至少存在以下问题:在锂硫电池循环充放电中,形成的多硫化物易溶解于电解液中,造成电解液密度变大,多硫化物还容易扩散到金属锂负极上,导致内阻增大,从而影响锂硫电池的循环充放电性能。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法,可解决上述技术问题。具体技术方案如下:一方面,本专利技术实施例提供了一种氮掺杂碳材料,所述氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到:将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶;所述含氮有机化合物与所述间苯二酚的摩尔比为1:150~1:100;将所述有机湿凝胶干燥,得到有机凝胶;将所述有机凝胶高温碳化,得到颗粒状的所述氮掺杂碳材料。在一种可能的设计中,所述含氮有机化合物为二甲胺、三甲胺、二苯胺、苯胺、或者N-甲基苯胺。在一种可能的设计中,所述油浴反应的温度为75~90℃,所述油浴反应的搅拌速度为120~200r/min,所述油浴反应的时间为8~20h。在一种可能的设计中,所述干燥的温度为100~150℃,所述干燥的时间为16~24h。在一种可能的设计中,所述高温碳化为:在氩气气氛中,以5℃/min的升温速率升温到750~900℃,碳化5~10h。另一方面,本专利技术实施例提供了一种锂硫电池正极材料,所述锂硫电池正极材料包括:基体材料和正极材料;所述基体材料为上述提及的任意一种所述的氮掺杂碳材料,所述正极材料为升华硫;所述氮掺杂碳材料与所述升华硫的质量比为1:3~1:1。在一种可能的设计中,所述氮掺杂碳材料与所述升华硫的质量比为1:1。另一方面,本专利技术实施例提供了上述提及的所述的锂硫电池正极材料的制备方法,所述制备方法包括:按照各组分的质量比,将上述提及的任一种所述的氮掺杂碳材料和升华硫混合、浸渍,得到所述锂硫电池正极材料。在一种可能的设计中,所述浸渍的温度为150~165℃,所述浸渍的时间为20~25h。在一种可能的设计中,所述浸渍的温度为150℃,所述浸渍的时间为20h。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本专利技术实施例提供的氮掺杂碳材料,通过将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶,并经过干燥、高温碳化,可得到均匀颗粒状的氮掺杂碳材料。将该氮掺杂碳材料作为锂硫电池中正极材料的基体使用,具有下述效果:(1)能够有效地吸附多硫化物,减少溶解于电解液和沉积于锂负极的多硫化物,以提高电池的容量,改善电池的循环充放电性能以及倍率性能。(2)在锂硫电池电循环充放电过程中,氮掺杂碳材料可增强正极的导电性能,可明显改善锂硫电池的循环充放电性能。具体实施方式除非另有定义,本专利技术实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。一方面,本专利技术实施例提供了一种氮掺杂碳材料,该氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到:步骤101、将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶;其中,含氮有机化合物与间苯二酚的摩尔比为1:150~1:100。步骤102、将有机湿凝胶干燥,得到有机凝胶。步骤103、将有机凝胶高温碳化,得到颗粒状的氮掺杂碳材料。本专利技术实施例提供的氮掺杂碳材料,通过将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶,并经过干燥、高温碳化,可得到均匀颗粒状的氮掺杂碳材料。将该氮掺杂碳材料作为锂硫电池中正极材料的基体使用,具有下述效果:(1)能够有效地吸附多硫化物,减少溶解于电解液和沉积于锂负极的多硫化物,以提高电池的容量,改善电池的循环充放电性能以及倍率性能。(2)在锂硫电池电循环充放电过程中,氮掺杂碳材料可增强正极的导电性能,可明显改善锂硫电池的循环充放电性能。步骤101中所涉及的“含氮有机化合物”为二甲胺、三甲胺、二苯胺、苯胺、或者N-甲基苯胺。即,含氮有机化合物为上述几种含氮有机化合物中的任意一种。上述几种含氮有机化合物价格低廉,容易获取,在一定条件下,能够容易地控制其与甲醛和间苯二酚发生聚合和交联反应,以得到有机湿凝胶。需要说明的是,甲醛与间苯二酚混合发生缩聚反应,生成酚醛树脂水凝胶。在甲醛与间苯二酚的混合物中加入含氮有机化合物,主要起到两个作用:(1)催化剂作用,其中,含氮有机化合物中的-NH2基或-NHCH3中的氮原子具有未共用电子对,具有接受质子能力,显碱性,对酚醛缩合反应提供弱碱性环境。(2)含氮有机化合物作为主原料参与甲醛的缩聚反应,因为含氮有机化合物中的-NH2基或-NHCH3基等含氮基团容易与甲醛反应,与甲醛发生类似酚醛缩合反应。其中,甲醛和间苯二酚的摩尔比可以为2:1、2.2:1、2.4:1、2.6:1、2.8:1、3:1等。含氮有机化合物与间苯二酚的摩尔比可以为1:150、1:140、1:130、1:120、1:110、1:100等。具体地,油浴反应的温度为75~90℃,例如可以为75℃、77℃、80℃、82℃、85℃、90℃等,油浴反应的搅拌速度为120~200r/min,例如可以为120r/min、130r/min、140r/min、150r/min、160r/min、170r/min、180r/min、190r/min、200r/min等,油浴反应的时间为8~20h,例如可以为8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h等。如此设置油浴反应的条件,便于使甲醛、间苯二酚、含氮有机化合物充分聚合、交联反应,以得到成分均一的有机湿凝胶,为后期得到循环充放电性能稳定的锂硫电池正极材料奠定了基础。在步骤102中,有机湿凝胶的干燥的温度为100~150℃,例如可以为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃等,干燥的时间为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳材料,其特征在于,所述氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到:将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶;所述含氮有机化合物与所述间苯二酚的摩尔比为1:150~1:100;将所述有机湿凝胶干燥,得到有机凝胶;将所述有机凝胶高温碳化,得到颗粒状的所述氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳材料,其特征在于,所述氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到:将摩尔比为2:1~3:1的甲醛和间苯二酚混合,再加入含氮有机化合物,油浴反应得到有机湿凝胶;所述含氮有机化合物与所述间苯二酚的摩尔比为1:150~1:100;将所述有机湿凝胶干燥,得到有机凝胶;将所述有机凝胶高温碳化,得到颗粒状的所述氮掺杂碳材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料,其特征在于,所述含氮有机化合物为二甲胺、三甲胺、二苯胺、苯胺、或者N-甲基苯胺。3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料,其特征在于,所述油浴反应的温度为75~90℃,所述油浴反应的搅拌速度为120~200r/min,所述油浴反应的时间为8~20h。4.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料,其特征在于,所述干燥的温度为100~150℃,所述干燥的时间为16~24h。5.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料,其特征在于,所述高温碳化为:在氩气气氛中,以5℃...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈大华潘立升
申请(专利权)人:奇瑞汽车股份有限公司
类型:发明
国别省市:安徽,34

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