一种正极材料及其制备方法、锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种正极材料及其制备方法、锂硫电池。本发明专利技术公开的正极材料包括：含孔的C3N4‑x，其中，0

【技术实现步骤摘要】
一种正极材料及其制备方法、锂硫电池
本专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种正极材料及其制备方法、锂硫电池。
技术介绍
锂离子电池在能量储存中占据主导地位，由于其相对成熟的制备过程及较高的稳定性成为了现代生活中不可或缺的一部分。由于锂离子电池的正极与负极容量不匹配导致传统的锂离子电池理论密度受限，从而限制了其在混合动力电车及大型智能电网中的应用。此外成本高、毒性大和不安全等因素也阻碍了其进一步的发展。锂硫电池作为新一代的电池由于具有较好的理论能量密度引起了越来越多研究者的关注。此外，由于硫元素的低成本、环保以及资源含量高使其更适合做电极材料。但是，在循环过程中，锂硫电池中硫正极的体积形变率高达22％，可能使硫正极内部产生微裂纹，加剧锂硫电池的容量衰减。目前，负载硫的基体材料一般选用三维多孔碳材料、石墨烯及其衍生物。然而现有的基体材料中存在以下缺陷：(1)孔隙率低，储硫能力较弱，导致锂硫电池的循环稳定性较差；(2)三维多孔碳材料、石墨烯及其衍生物等碳材料，吸附锂硫电池在充电过程中产生的多硫锂化物的能力较弱，仍会有较多的多硫锂化物溶解于电解液中，使锂硫电池的循环稳定性降低。其中，一般采用C3N4这种碳氮材料作为负载硫的基体材料，其中含有的N元素可以吸附多硫锂化物，但由于其氮含量相对较高，导致其本征导电率降低，从而会降低锂硫电池的循环稳定性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种正极材料及其制备方法，本专利技术的正极材料包括含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；以及负载于C3N4-x的硫，由于C3N4-x中氮含量降低，相对于C3N4提高了本征电导率，因此将该正极材料用于锂硫电池时，可以提高其循环稳定性。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：根据本专利技术的一方面，提供了一种正极材料，正极材料包括：含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；以及负载于所述C3N4-x的硫。根据本专利技术正极材料的一种实施方式，所述含孔的C3N4-x的孔隙率为20～30m2/g。根据本专利技术的另一方面，提供了一种正极材料的制备方法，包括步骤：S1：将含孔的C3N4与Mg混合，加热反应一定时间后得到含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；S2：在所述含孔的C3N4-x中负载硫，得到正极材料。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，在步骤S1中，所述含孔的C3N4和Mg的质量比为3～1.5：1；加热温度为600～800℃，反应时间为1～5h。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，在步骤S1中，反应完成后进一步包括用稀酸和去离子水洗涤的后处理操作；所述稀酸为浓度为0.5～1.5mol/L的硫酸或盐酸。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，在步骤S2中，将所述含孔的C3N4-x与S混合后加热一定时间，降温后得到正极材料。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，所述含孔的C3N4-x与S的质量比为3～1：1；所述加热温度为150～155℃，反应时间为5～20h。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，所述含孔的C3N4是通过硫脲和氯化铵混合加热得到。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，所述硫脲与所述氯化铵的质量比为1：1～2；加热的温度为500～600℃，加热时间为1～5h。根据本专利技术的另一方面，提供了一种锂硫电池，包括:正极、负极、电解质，其中，所述正极中包括本专利技术的正极材料，或所述正极中包括本专利技术制备方法得到的正极材料。(三)有益效果本专利技术提供的正极材料包括含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；以及负载于C3N4-x的硫；一方面由于C3N4-x中含有氮，其对多硫锂化物具有良好的吸附性能；另一方面，由于C3N4-x中氮含量相对C3N4较低，相对于C3N4提高了本征电导率，因此将该正极材料用于锂硫电池时，可以提高其循环稳定性。本专利技术的制备方法，用C3N4和镁粉反应，生成了C3N4-x，一方面由于C3N4-x中含有氮，其对多硫锂化物具有良好的吸附性能；另一方面由于C3N4-x中氮含量相对C3N4较低，相对于C3N4提高了本征电导率，因此将该正极材料用于锂硫电池时，可以提高其循环稳定性。本专利技术的制备方法，利用硫脲和氯化铵制备C3N4，其中，硫脲加热分解后形成C3N4，且氯化铵作为致孔剂，由于氯化铵分解，形成氨气和HCl，可以形成孔隙率为20～30m2/g的C3N4，提高了C3N4的孔隙率，从而提高了其储硫能力，进一步提高了含有该正极材料的锂硫电池的循环稳定性。本专利技术的制备方法，原料易得、成本低廉、反应条件温和、操作简单。本专利技术的锂离电池，具有良好的循环稳定性。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下结合具体实施方式对本申请作进一步详细描述，这些实施方式不能理解为限制本申请所要求保护的范围。根据本专利技术的一方面，提供了一种正极材料，正极材料包括：含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；以及负载于C3N4-x的硫。本专利技术提供的正极材料，一方面，由于C3N4-x中含有氮，其对多硫锂化物具有良好的吸附性能；另一方面，由于C3N4-x中氮含量相对C3N4较低，相对于C3N4提高了其本征电导率，因此将该正极材料用于锂硫电池时，可以提高其循环稳定性。其中，负载于C3N4-x中的硫，可以是填充于其孔中或负载于表面。根据本专利技术正极材料的一种实施方式，含孔的C3N4-x的孔隙率为20～30m2/g。本专利技术的正极材料中含孔的C3N4-x的孔隙率为20～30m2/g，而普通C3N4的孔隙率仅为9m2/g左右，因此本专利技术的正极材料的储硫能力较强，采用本专利技术正极材料的锂离子电池具有良好的循环性能。根据本专利技术的另一方面，提供了一种正极材料的制备方法，包括步骤：S1：将含孔的C3N4与Mg混合，加热反应一定时间后得到含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；S2：在含孔的C3N4-x中负载硫，得到正极材料。本专利技术的制备方法，用C3N4和Mg反应生成了C3N4-x，一方面由于C3N4-x中含有氮，其对多硫锂化物具有良好的吸附性能；另一方面由于C3N4-x中氮含量相对C3N4较低，相对于C3N4提高了本征电导率，因此将该正极材料用于锂硫电池时，可以提高其循环稳定性。进一步，优选地，C3N4与Mg粉混合，可以混合更均匀，反应更彻底。其中，Mg与含孔的C3N4反应机理如下所示：C3N4+3x/2Mg→C3N4-x+x/2Mg3N2通过该反应得到的C3N4-x中的N含量，比C3N4中的N含量降低，从而提高了材料的本征电导率，提高了材料的锂离子的迁移速率，进一步提高了含有本专利技术正极材料的锂硫电池的电池容量和循环性能。根据本专利技术制备方法的一种实施方式，在步骤S1中，含孔的C3N4和Mg的质量比为3～1.5：1；加热温度为600～800℃，反应时间为1～5h。在本专利技术的制备方法中含孔的C3N4和Mg的质量比优选为3～1.5：1；如果镁占比过高，会导致氮含量太低，不利于多硫化物的吸附，如果镁占比太低，会使C3N4-x中的氮含量较高，不利于提高材料的本征电导率；当在该范围时，既可以使其具备良好的多硫化物的吸附能力，又可以提高提高材料的本征电导率。其中典型但非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括：含孔的C3N4‑x，其中，0

【技术特征摘要】
1.一种正极材料，其特征在于，所述正极材料包括：含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；以及负载于所述C3N4-x的硫。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述含孔的C3N4-x的孔隙率为20～30m2/g。3.一种正极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1：将含孔的C3N4与Mg混合，加热反应一定时间后得到含孔的C3N4-x，其中，0<x<4；S2：在所述含孔的C3N4-x中负载硫，得到正极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述含孔的C3N4和Mg的质量比为3～1.5：1；加热温度为600～800℃，反应时间为1～5h。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，反应完成后进一步包括用稀酸和去离子水洗涤的后处理操作；所述稀酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍晓梅，苗力孝，石朝辉，柯菲，
申请(专利权)人：桑德集团有限公司，桑顿新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：西藏,54