含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质及其制备方法和电池正极材料及其应用技术

本发明专利技术涉及锂硫电池正极材料技术领域，公开了一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质及其制备方法和电池正极材料及其在锂硫电池中的应用。该正极活性物质为复合材料，含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫，以复合材料的总量为基准，以镍计的氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5

【技术实现步骤摘要】
含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质及其制备方法和电池正极材料及其应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池正极材料
，具体涉及一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质及其制备方法和电池正极材料及其在锂硫电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着近年来电动汽车与移动电子设备的飞速发展，锂离子电池的能量密度已难以满足需要。锂硫电池因其高的理论比容量(1675mAh g
‑1)和理论能量密度(2600Wh kg
‑1)，环境友好、安全无毒、成本低廉等优点，被认为是下一代最具前景的高能量二次电池体系而备受关注。锂硫电池是以硫元素作为电池正极的一种锂电池，虽然单质硫的理论放电比容量远远高于商业上广泛应用的锂离子电池，但是单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5
×
10
‑
30
S
·
cm
‑1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池在高倍率下的性能。此外，单质硫在充放电过程中形成的中间态多硫化物易溶解在液态电解质中，并随着电解质的扩散从正极材料中扩散至负极引发不必要的副反应，称为“穿梭效应”，而“穿梭效应”会导致活性物质硫的损失，使得锂硫电池的整体性能普遍较低。因此，与锂离子电池相比，目前，锂硫电池在高倍率下的容量衰减严重、循环性能较差。
[0003]在电池的充放电过程中，随着放电倍率的提高，电化学极化与浓差极化的加重将会严重影响电极的高倍率性能。因此，在高倍率放电下的锂硫电池正极材料不仅需要具有能够提供锂离子快速迁入和脱出的通道，同时还需要能够催化多硫化物的电化学转化反应，抑制其溶解损失。
[0004]为了解决上述问题，研究者们通过采用多孔碳材料与单质硫复合，以增加电极的导电性，并通过多孔碳材料对多硫化物的物理吸附作用防止“穿梭效应”，或者利用过渡金属氧化物与多硫化物之间的化学吸附作用抑制多硫化物的“穿梭效应”。但是，在实际应用中，多孔碳材料对多硫化物的物理吸附作用较弱，无法有效抑制“穿梭效应”，而过渡金属氧化物本身导电性较低，无法使锂硫电池在高倍率下表现出高性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的锂硫电池高倍率充放电性能不佳的问题，提供了一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质及其制备方法和电池正极材料及其在锂硫电池中的应用，以实现锂硫电池的高倍率充放电性能的提升。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质，该正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫，以所述复合材料的总量为基准，以镍计的所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5
‑
15重量％，所述石墨烯的含量为5
‑
25重量％，所述单质硫的含量为55
‑
90重量％。
[0007]本专利技术第二方面提供一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0008](1)将氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫混合，得到混合物；
[0009](2)在惰性气氛下，在不低于硫的熔融温度下，将所述混合物进行高温处理。
[0010]本专利技术第三方面提供一种电池正极材料，所述电池正极材料含有正极活性物质、导电剂和粘合剂，所述正极活性物质含有第一方面所述的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正极活性物质。
[0011]本专利技术第四方面提供如第三方面所述的电池正极材料在锂硫电池中的应用。
[0012]通过上述技术方案，本专利技术具有如下优势：
[0013]本专利技术提供的含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫，氮掺杂碳包覆镍纳米材料包括含有金属态镍内核和包覆在所述金属态镍内核表面的氮掺杂石墨化碳层外壳的氮掺杂碳包覆镍纳米颗粒，其中，氮掺杂石墨化碳层外壳能够提高碳基底的极性，协同金属态镍内核，对多硫化物有着强烈的化学吸附能力，抑制了“穿梭效应”；同时，金属态镍内核可以催化含硫物质的电化学转化，为电化学反应提供活性位点，提高了活性硫的利用率。采用本专利技术的正极活性物质制备的电池正极材料应用于锂硫电池中，能够提高锂硫电池在高倍率下的充放电性能，其在1C倍率下的放电比容量可达807mAh/g，1C每次循环的容量损失可低至0.13％。
附图说明
[0014]图1是采用实施例1
‑
3的含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质制得的锂硫电池的循环性能对比图；
[0015]图2是采用对比例的常规石墨烯
‑
硫正极活性物质制得的锂硫电池的循环性能图。
具体实施方式
[0016]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0017]本专利技术第一方面提供一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质，该正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫，以所述复合材料的总量为基准，以镍计的所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5
‑
15重量％，所述石墨烯的含量为5
‑
25重量％，所述单质硫的含量为55
‑
90重量％。
[0018]本专利技术的一些实施方式中，优选地，以所述复合材料的总量为基准，以镍计的所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5
‑
5重量％，所述石墨烯的含量为10
‑
20重量％，所述单质硫的含量为65
‑
90重量％。
[0019]本专利技术的一些实施方式中，优选地，以所述复合材料的总量为基准，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为1
‑
20重量％，所述石墨烯的含量为5
‑
25重量％，所述单质硫的含量为55
‑
90重量％。
[0020]更优选地，以所述复合材料的总量为基准，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为1
‑
10重量％，所述石墨烯的含量为10
‑
20重量％，所述单质硫的含量为65
‑
90重量％。
[0021]本专利技术的一些实施方式中，优选地，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料中，以所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的总量为基准，镍元素的含量为30
‑
80重量％，优选为40
‑
70重量％；碳元素的含量为20
‑
70重量％，优选为30
‑
60重量％。
[0022]本专利技术的一些实施方式中，优选地，所述氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料的正极活性物质，该正极活性物质为复合材料，所述复合材料含有氮掺杂碳包覆镍纳米材料、石墨烯和单质硫，以所述复合材料的总量为基准，以镍计的所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5
‑
15重量％，所述石墨烯的含量为5
‑
25重量％，所述单质硫的含量为55
‑
90重量％。2.根据权利要求1所述的正极活性物质，其中，以所述复合材料的总量为基准，以镍计的所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的含量为0.5
‑
5重量％，所述石墨烯的含量为10
‑
20重量％，所述单质硫的含量为65
‑
90重量％。3.根据权利要求1所述的正极活性物质，其中，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料中，以所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的总量为基准，镍元素的含量为30
‑
80重量％，优选为40
‑
70重量％；碳元素的含量为20
‑
70重量％，优选为30
‑
60重量％；优选地，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料中，以所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的总量为基准，氮元素和氧元素的总含量不大于15重量％，优选为0.2
‑
12重量％，更优选为0.5
‑
10重量％；优选地，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料中，以所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的总量为基准，氮元素的含量不大于15重量％，优选为0.1
‑
10重量％，更优选为1
‑
5重量％。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的正极活性物质，其中，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料包括氮掺杂碳包覆镍纳米颗粒，所述氮掺杂碳包覆镍纳米颗粒含有金属态镍内核和包覆在所述金属态镍内核表面的氮掺杂石墨化碳层外壳，所述金属态镍包括面心立方晶格结构和/或六方紧密晶格结构。5.根据权利要求3所述的正极活性物质，其中，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料具有双介孔分布峰，且双介孔分布峰分别对应第一最可几孔径和第二最可几孔径，且所述第一最可几孔径为2.5
‑
5nm，所述第二最可几孔径为7
‑
12nm；优选地，所述氮掺杂碳包覆镍纳米材料的介孔体积为0.05
‑
1cm3/g；优选...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇翔，荣峻峰，谢婧新，李欢，吴耿煌，宗明生，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院，
类型：发明
国别省市：