【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学，具体涉及锂硫电池正极活性物质及其制备方法和应用以及锂硫电池。
技术介绍
1、由于锂硫电池具有高的理论比容量(1675mah/g)，比现有商用正极材料的容量高出一个数量级，同时硫作为正极材料还具有低成本、储量丰富和环境友好等优点，这使得锂硫电池成为最具发展前景的电化学储能体系之一。碳/硫复合材料是锂硫电池正极的核心材料。碳材料在锂硫电池中可以将多硫化物限制在碳基材料的孔隙中或片层内，以提高正极导电性同时阻止多硫化物的溶解，抑制穿梭效应。比如cn112661137a公开了一种多孔碳球及其制备方法，并将其应用在锂硫电池中。利用该制备方法制备得到的多孔碳球由空心一次颗粒组装而成二次颗粒，虽然对于多硫化物起到了一定的限制作用，但是单纯的物理限域作用对于锂硫电池性能的提升仍然有限。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的锂硫电池倍率性能和循环稳定性差的问题，提供了锂硫电池正极活性物质及其制备方法和应用以及锂硫电池。该锂硫电池正极活性物质以硫掺杂纳米碳笼作为硫正极载体，配合石墨烯和单质硫可以实现锂硫电池比容量和循环稳定性的共同提高。
2、为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种锂硫电池正极活性物质，所述正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有石墨烯、单质硫和硫掺杂纳米碳笼，以所述复合材料的总重量为基准，所述石墨烯的含量为7-18重量％，所述单质硫的含量为70-90重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为3-12重量％。
3、本专利技术的
4、本专利技术第二方面提供一种锂硫电池正极活性物质的制备方法，该制备方法包括：
5、(1)提供含有硫掺杂纳米碳笼、单质硫和石墨烯的混合物；
6、(2)在非活性气氛保护下，且在不低于硫的熔融温度下，将步骤(1)得到的混合物进行高温热处理。
7、优选地，制备所述硫掺杂纳米碳笼的方法包括如下步骤：
8、(a)提供含有镍源、有机羧酸和溶剂的均相溶液，然后除去所述均相溶液中的溶剂，得到前驱体；
9、(b)在惰性气氛或还原气氛保护下，将所述前驱体进行第一焙烧，得到焙烧产物；
10、(c)将所述焙烧产物与酸接触反应，然后进行固液分离，得到纳米碳材料；
11、(d)将所述纳米碳材料与硫源进行混合，然后将得到的混合物进行第二焙烧，得到硫掺杂纳米碳笼。
12、本专利技术第三方面提供第一方面所述的锂硫电池正极活性物质或者为按照第二方面所述的制备方法制备得到的锂硫电池正极活性物质在锂硫电池中的应用。
13、本专利技术第四方面提供一种锂硫电池，所述电池包括电极组和非水电解液，所述电极组和非水电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和隔膜，隔膜位于正极和负极之间，所述正极包括第一方面所述的锂硫电池正极活性物质或者按照第二方面所述的制备方法制备得到的锂硫电池正极活性物质。
14、在优选情况下，所述硫掺杂纳米碳笼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；特别是可以具有多级介孔结构，从而赋予该材料更多样的功能，使之适用于更多的应用领域。再者，该硫掺杂纳米碳笼既可以通过物理限域作用“锚定”中间产物多硫化物，同时掺杂的硫元素对含硫物质还有化学吸附作用，催化含硫物质的电化学转化，提高了活性硫的利用率，改善了由本专利技术所述锂硫电池正极活性物质制备得到的锂硫电池的充放电比容量和循环稳定性。
15、此外，本专利技术提供的锂硫电池正极活性物质的制备方法，将硫掺杂纳米碳笼与石墨烯和单质硫进行混合，经过高温熔融法处理后得到锂硫电池正极活性物质。其中，硫掺杂纳米碳笼的粒径、孔径都可人工调控，适用于大规模工业化生产。本专利技术所述锂硫电池正极活性物质的制备方法简单、成本低，制得的锂硫电池正极活性物质有效抑制了多硫离子中间产物在电池反应过程中的“穿梭效应”；同时石墨化碳层外壳通过掺杂硫元素产生的极性化学吸附作用能够提高其对多硫化物的化学吸附能力，催化含硫物质的电化学转化，提高了活性硫的利用率。采用本专利技术所述正极活性物质制备的正极得到的锂硫电池具有高比容量和好的循环稳定性。
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1.一种锂硫电池正极活性物质，其特征在于，所述正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有石墨烯、单质硫和硫掺杂纳米碳笼，以所述复合材料的总重量为基准，所述石墨烯的含量为7-18重量％，所述单质硫的含量为70-90重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为3-12重量％。
2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极活性物质，其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述石墨烯的含量为10-15重量％，所述单质硫的含量为75-85重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为5-10重量％。
3.根据权利要求1或2所述的锂硫电池正极活性物质，其中，
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质，其中，所述硫掺杂纳米碳笼的比表面积为200-700m2/g，优选为300-600m2/g，进一步优选为400-600m2/g；
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质，其中，由X射线光电子能谱测得所述硫掺杂纳米碳笼中，碳的摩尔含量为80-99％，优选为80-90％，更优选为80-86％，进一步优选为84-86％；和/或
6.一种锂硫电池正极活
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤(1)中，硫掺杂纳米碳笼、单质硫和石墨烯的用量使得到的混合物中，以所述混合物的总重量为基准，所述石墨烯的含量为7-18重量％，所述单质硫的含量为70-90重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为3-12重量％；优选地，以所述混合物的总重量为基准，所述石墨烯的含量为10-15重量％，所述单质硫的含量为75-85重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为5-10重量％。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其中，制备所述硫掺杂纳米碳笼的方法包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(a)中，所述镍源与有机羧酸的质量比为1：0.2-50，优选为1：0.5-5；
10.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(b)中，所述第一焙烧的条件包括：升温速率为0.5-30℃/min，优选为1-10℃/min；温度为600-1300℃，优选为800-1100℃；时间为20-600min，优选为60-480min；
11.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(c)中，所述接触反应的条件包括：温度为50-120℃，优选为80-120℃；时间为0.1-48h，优选为4-12h；和/或，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸和柠檬酸中的至少一种，优选为盐酸。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤(d)中，所述纳米碳材料与硫源的质量比为1：0.1-6，优选为1：0.3-4，更优选为1：0.5-2，进一步优选为1：0.7-1；和/或
13.根据权利要求6-12中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述高温热处理的温度为120-200℃；
14.权利要求1-5中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质或者为按照权利要求6-13中任意一项所述的制备方法制备得到的锂硫电池正极活性物质在锂硫电池中的应用。
15.一种锂硫电池，所述电池包括电极组和非水电解液，所述电极组和非水电解液密封在电池壳体内，所述电极组包括正极、负极和隔膜，隔膜位于正极和负极之间，所述正极包括权利要求1-5中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质或者按照权利要求6-13中任意一项所述的制备方法制备得到的锂硫电池正极活性物质。
...【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极活性物质，其特征在于，所述正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有石墨烯、单质硫和硫掺杂纳米碳笼，以所述复合材料的总重量为基准，所述石墨烯的含量为7-18重量％，所述单质硫的含量为70-90重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为3-12重量％。
2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极活性物质，其中，以所述复合材料的总重量为基准，所述石墨烯的含量为10-15重量％，所述单质硫的含量为75-85重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为5-10重量％。
3.根据权利要求1或2所述的锂硫电池正极活性物质，其中，
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质，其中，所述硫掺杂纳米碳笼的比表面积为200-700m2/g，优选为300-600m2/g，进一步优选为400-600m2/g；
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的锂硫电池正极活性物质，其中，由x射线光电子能谱测得所述硫掺杂纳米碳笼中，碳的摩尔含量为80-99％，优选为80-90％，更优选为80-86％，进一步优选为84-86％；和/或
6.一种锂硫电池正极活性物质的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤(1)中，硫掺杂纳米碳笼、单质硫和石墨烯的用量使得到的混合物中，以所述混合物的总重量为基准，所述石墨烯的含量为7-18重量％，所述单质硫的含量为70-90重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为3-12重量％；优选地，以所述混合物的总重量为基准，所述石墨烯的含量为10-15重量％，所述单质硫的含量为75-85重量％，硫掺杂纳米碳笼的含量为5-10重量％。
8.根据权利要求6或7所述的制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇翔，荣峻峰，朱娜，袁颜霞，李欢，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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