CN111509229A - 一种氮掺杂多孔碳包覆v2o3的锂硫电池正极材料及其制法 - Google Patents

一种氮掺杂多孔碳包覆v2o3的锂硫电池正极材料及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，且公开了一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，包括以下配方原料及组分：多孔V2O3空心微球、对苯二胺、乙醛、升华硫。该一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，多孔V2O3空心微球比表面积非常大，孔隙结构丰富，对锂多硫化物具有很强的吸附能力，有效抑制了穿梭效应，氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3，多孔碳可以充分将升华硫吸附到大量的孔道结构中，为硫正极材料在充放电过程中的体积膨胀，提供了体积应变缓冲，氮掺杂多孔碳具有优异的导电性能，导电型金属氧化物V2O3，与升华硫三者之间形成三维导电网络，有利于电子和锂离子的传输和扩散，增强锂电池的倍率性能。

Description

一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料及其制法
技术领域
本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，具体为一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料及其制法。
背景技术
锂硫电池是锂电池的一种，是以硫元素作为电池正极材料，金属锂作为负极材料，锂硫电池放电时，负极反应中锂失去电子变为锂离子，正极反应中硫与锂离子和电子反应生成锂多硫化合物，正极和负极反应产生的电势差为锂硫电池提供的放电电压，在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应可逆进行，完成充电过程，但是硫是不导电的物质，具有超高的理论比容量和电池理论比能量，并且硫是一种对环境友好的元素，污染很小，是一种非常有应用前景的锂电池。
但是目前的锂硫电池正极材料，由于硫为不导电物质，导致正极材料的导电性能很差，大大影响了锂电池的倍率性能，并且正极反应产生的锂多硫化合物很容易溶于电解液，导致活性硫物质不可逆的损耗，降低了锂硫电池的实际比容量，同时硫正极材料在充放电过程中，容易发生体积膨胀和缩小，会影响正极材料的形貌和结构，导致活性硫的损耗，造成电池容量衰减和降低电池的电化学循环稳定性能。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料及其制法，解决锂硫电池正极材料导电性能很差，并且容易发生体积膨胀的现象，同时解决了正极反应产生的锂多硫化合物很容易溶于电解液，发生穿梭效应的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分：12-20份多孔V2O3空心微球、8-15份对苯二胺、5-10份乙醛、55-75份升华硫。
优选的，所述多孔V2O3空心微球制备方法如下：
(1)向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，加热至170-190℃，反应10-18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球；
(2)向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球，超声分散均匀后加入NH4VO3，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170-200℃，反应20-30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3-8℃/min，升温至400-440℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球；
(3)向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为6-10:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180-220℃，反应10-18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为1-3℃/min，升温至330-350℃，煅烧1-1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8-10，升温至440-480℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球。
优选的，所述反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆。
优选的，所述碳纳米微球和NH4VO3的质量比为12-20:1。
优选的，所述乙二酸和多孔V2O5空心微球的质量比为2-2.5:1。
优选的，所述氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和12-20份多孔V2O3空心微球，超声分散均匀后加入8-15份对苯二胺，搅拌溶解后在0-5℃下加入5-10份乙醛，匀速搅拌反应20-30h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球；
(2)将多孔聚合物包覆V2O3空心微球和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:2-4，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为5-10℃/min，升温至720-760℃，保温煅烧2-3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3；
(3)向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3和55-75份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至150-160℃，热处理10-15h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，V2O3可以与锂多硫化物具有很强的吸附能力，通过高温水热法，以碳纳米微球为牺牲模板，制备得到多孔V2O5空心微球，再通过氨气氛围热还原，制备得到多孔V2O3空心微球，比表面积非常大，并且具有丰富的孔隙结构，可以更好地吸附锂多硫化物，有效抑制了穿梭效应，减少了锂多硫化物溶解在电解液中。
该一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，通过原位聚合法，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球，通过高温热裂解和氢氧化钾刻蚀，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3，多孔碳可以充分将升华硫吸附到大量的孔道结构中，可以为硫正极材料在充放电过程中的体积膨胀提供体积应变缓冲，有效减少了体积膨胀而影响正极材料的结构稳定性和电化学循环稳定性能，并且氮掺杂多孔碳具有优异的导电性能，V2O3也属于导电型金属氧化物，与升华硫三者之间形成三维导电网络，有利于电子和锂离子的传输和扩散，增强锂电池的倍率性能。
附图说明
图1是箱体正面示意图；
图2是移动杆放大示意图；
图3是移动杆调节示意图。
1、箱体；2、隔热层；3、加热棒；4、旋转装置；5、旋转轴承；6、旋转杆；7、载物架；8、反应釜；9、调节器；10、调节杆、11、移动块；12、移动杆。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分：12-20份多孔V2O3空心微球、8-15份对苯二胺、5-10份乙醛、55-75份升华硫。
多孔V2O3空心微球制备方法如下：
(1)向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至170-190℃，反应10-18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球。
(2)向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为12-20:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170-200℃，反应20-30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3-8℃/min，升温至400-440℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球，两者质量比为2-2.5:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为6-10:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180-220℃，反应10-18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为1-3℃/min，升温至330-350℃，煅烧1-1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8-10，升温至440-480℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球。
氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料制备方法如下：
(1)向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和12-20份多孔V2O3空心微球，超声分散均匀后加入8-15份对苯二胺，搅拌溶解后在0-5℃下加入5-10份乙醛，匀速搅拌反应20-30h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球。
(2)将多孔聚合物包覆V2O3空心微球和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:2-4，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为5-10℃/min，升温至720-760℃，保温煅烧2-3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3。
(3)向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3和55-75份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至150-160℃，热处理10-15h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料。
实施例1
(1)制备碳纳米微球组分1：向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至170℃，反应10h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球组分1。
(2)制备多孔V2O5空心微球组分1：向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球组分1，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为12:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170℃，反应20h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3℃/min，升温至400℃，保温煅烧3h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球组分1。
(3)制备多孔V2O3空心微球组分1：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球组分1，两者质量比为2:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为6:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应10h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为1℃/min，升温至330℃，煅烧1h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8，升温至440℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球组分1。
(4)制备超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分1：向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和12份多孔V2O3空心微球组分1，超声分散均匀后加入8份对苯二胺，搅拌溶解后在5℃下加入5份乙醛，匀速搅拌反应20h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分1。
(5)制备氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分1：将多孔聚合物包覆V2O3空心微球组分1和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:2，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为5℃/min，升温至720℃，保温煅烧2h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分1。
(6)制备氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料1：向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分1和55-75份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至150-160℃，热处理10-15h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料1。
实施例2
(1)制备碳纳米微球组分2：向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至190℃，反应10h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球组分2。
(2)制备多孔V2O5空心微球组分2：向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球组分2，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为14:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至200℃，反应30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3℃/min，升温至400℃，保温煅烧5h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球组分2。
(3)制备多孔V2O3空心微球组分2：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球组分2，两者质量比为2.5:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为6:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至220℃，反应10h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为3℃/min，升温至350℃，煅烧1h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8，升温至480℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球组分2。
(4)制备超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分2：向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和14份多孔V2O3空心微球组分2，超声分散均匀后加入9.5份对苯二胺，搅拌溶解后在5℃下加入6.5份乙醛，匀速搅拌反应30h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分2。
(5)制备氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分2：将多孔聚合物包覆V2O3空心微球组分2和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:2，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为10℃/min，升温至760℃，保温煅烧2-3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分2。
(6)制备氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料2：向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3和71份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至160℃，热处理10h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料2。
实施例3
(1)制备碳纳米微球组分3：向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至180℃，反应14h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球组分3。
(2)制备多孔V2O5空心微球组分3：向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球组分3，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为16:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至185℃，反应25h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为5℃/min，升温至420℃，保温煅烧4h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球组分3。
(3)制备多孔V2O3空心微球组分3：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球组分3，两者质量比为2.2:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为8:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至200℃，反应15h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为2℃/min，升温至340，煅烧1-1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:9升温至460℃，保温煅烧4h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球组分3。
(4)制备超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分3：向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和16份多孔V2O3空心微球组分3，超声分散均匀后加入11.5份对苯二胺，搅拌溶解后在2℃下加入7.5份乙醛，匀速搅拌反应25h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分3。
(5)制备氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分3：将多孔聚合物包覆V2O3空心微球组分3和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:3，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为8℃/min，升温至740℃，保温煅烧2.5h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分3。
(6)制备氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料3：向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3和65份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至155℃，热处理12h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料3。
实施例4
(1)制备碳纳米微球组分4：向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至190℃，反应10h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球组分4。
(2)制备多孔V2O5空心微球组分4：向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球组分4，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为18:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至200℃，反应30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3-8℃/min，升温至440℃，保温煅烧3h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球组分4。
(3)制备多孔V2O3空心微球组分4：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球组分4，两者质量比为2.5:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为10:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为3℃/min，升温至330℃，煅烧1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8，升温至480℃，保温煅烧5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球组分4。
(4)制备超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分4：向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和18份多孔V2O3空心微球组分4，超声分散均匀后加入13.5份对苯二胺，搅拌溶解后在5℃下加入8.5份乙醛，匀速搅拌反应20-30h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分4。
(5)制备氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分4：将多孔聚合物包覆V2O3空心微球组分4和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:3，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为10℃/min，升温至740℃，保温煅烧3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分4。
(6)制备氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料4：向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分4和59份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至160℃，热处理12h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料4。
实施例5
(1)制备碳纳米微球组分5：向聚四氟乙烯反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌溶解后置于反应釜加热箱中，反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆，加热至190℃，反应18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米微球组分5。
(2)制备多孔V2O5空心微球组分5：向反应瓶中加入蒸馏水和碳纳米微球组分5，超声分散均匀后加入NH4VO3，两者质量比为20:1，搅拌溶解后将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至200℃，反应30h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为8℃/min，升温至440℃，保温煅烧5h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球组分5。
(3)制备多孔V2O3空心微球组分5：向反应瓶中加入蒸馏水、乙二酸和多孔V2O5空心微球组分5，两者质量比为2.5:1，超声分散均匀后，再加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为10:1，将溶液转移进聚四氟乙烯反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至220℃，反应18h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤固体产物，并充分干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为3℃/min，升温至350℃，煅烧1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:10，升温至480℃，保温煅烧5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球组分5。
(4)制备超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分5：向反应瓶中加入N-甲基吡咯烷酮溶剂和20份多孔V2O3空心微球组分5，超声分散均匀后加入15份对苯二胺，搅拌溶解后在0℃下加入10份乙醛，匀速搅拌反应30h，将溶液过滤除去溶剂，使用丙酮洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球组分5。
(5)制备氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分5：将多孔聚合物包覆V2O3空心微球组分5和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:4，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为10℃/min，升温至760℃，保温煅烧3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分5。
(6)制备氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料5：向聚四氟乙烯反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3组分5和55份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至160℃，热处理15h，将固体产物冷却至室温，研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料5。
分别向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入导电剂乙炔黑和胶黏剂聚偏氟乙烯，氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料1-5作为正极活性材料，搅拌均匀后，均匀涂覆在铝箔表面，并充分干燥，制备得到锂硫电池正极工作电极材料，锂片为负极工作电极，电解液为1.0mol/L双三氟甲基磺酰亚胺锂、质量分数为1.5％的硝酸锂的乙二醇二甲醚溶液，隔膜为Celgard 2400聚丙烯膜，组装成CR2025型扣式电池，在Land CT-2001A测试系统进行充放电性能测试，在CHI660D电化学工作站进行循环伏安法测试。
Figure BDA0002467407780000141
综上所述，该一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，V2O3可以与锂多硫化物具有很强的吸附能力，通过高温水热法，以碳纳米微球为牺牲模板，制备得到多孔V2O5空心微球，再通过氨气氛围热还原，制备得到多孔V2O3空心微球，比表面积非常大，并且具有丰富的孔隙结构，可以更好地吸附锂多硫化物，有效抑制了穿梭效应，减少了锂多硫化物溶解在电解液中。
通过原位聚合法，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球，通过高温热裂解和氢氧化钾刻蚀，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3，多孔碳可以充分将升华硫吸附到大量的孔道结构中，可以为硫正极材料在充放电过程中的体积膨胀提供体积应变缓冲，有效减少了体积膨胀而影响正极材料的结构稳定性和电化学循环稳定性能，并且氮掺杂多孔碳具有优异的导电性能，V2O3也属于导电型金属氧化物，与升华硫三者之间形成三维导电网络，有利于电子和锂离子的传输和扩散，增强锂电池的倍率性能，在0.2C倍率下，首次放电比容量达到1276.0-1316.6mA·h/g，循环100次放电比容量仍然达到732.6-756.2mA·h/g，具有很高的实际放电比容量和电化学循环稳定性。

Claims (6)

1.一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分，其特征在于：12-20份多孔V2O3空心微球、8-15份对苯二胺、5-10份乙醛、55-75份升华硫。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述多孔V2O3空心微球制备方法如下：
(1)向反应釜中加入蒸馏水和葡萄糖，置于反应釜加热箱中，加热至170-190℃，反应10-18h，过滤、洗涤并干燥，制备得到碳纳米微球；
(2)向蒸馏水中加入碳纳米微球，超声分散均匀后加入NH4VO3，溶液转移进反应釜并置于反应釜加热箱中，加热至170-200℃，反应20-30h，过滤、洗涤并干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，升温速率为3-8℃/min，升温至400-440℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O5空心微球；
(3)向蒸馏水中加入乙二酸和多孔V2O5空心微球，超声分散均匀后，加入乙二醇溶剂，与蒸馏水的体积比为6-10:1，将溶液转移进反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180-220℃，反应10-18h，过滤、洗涤并干燥，固体产物置于气氛电阻炉中，先在空气氛围下，升温速率为1-3℃/min，升温至330-350℃，煅烧1-1.5h，在通入氮气和氨气的混合气体，体积比为1:8-10，升温至440-480℃，保温煅烧3-5h，煅烧产物即为多孔V2O3空心微球。
3.根据权利要求2所述的一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述反应釜加热箱包括箱体、箱体内部表面固定连接有隔热层、隔热层内部两侧固定连接有加热棒，箱体内部的下侧固定连接有旋转装置，旋转装置活动连接有旋转轴承、旋转轴承与旋转杆活动连接，旋转杆表面固定连接有载物架、载物架上表面盛放有反应釜，载物架活动连接有调节器、调节器与调节杆活动连接，调节杆与移动块固定连接，移动块固定连接有移动杆。
4.根据权利要求3所述的一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述碳纳米微球和NH4VO3的质量比为12-20:1。
5.根据权利要求3所述的一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述乙二酸和多孔V2O5空心微球的质量比为2-2.5:1。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料制备方法如下：
(1)向N-甲基吡咯烷酮溶剂中加入和12-20份多孔V2O3空心微球，超声分散均匀后加入8-15份对苯二胺，在0-5℃下加入5-10份乙醛，反应20-30h，过滤、洗涤并干燥，制备得到超交联聚合物包覆V2O3空心微球；
(2)将多孔聚合物包覆V2O3空心微球和氢氧化钾充分混合均匀，两者质量比为1:2-4，置于气氛电阻炉中，并通入氩气，升温速率为5-10℃/min，升温至720-760℃，保温煅烧2-3h，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3；
(3)向反应釜中加入氮掺杂多孔碳包覆纳米V2O3和55-75份升华硫，置于反应釜加热箱中，加热至150-160℃，热处理10-15h，将固体产物冷却并研磨成细粉，制备得到氮掺杂多孔碳包覆V2O3的锂硫电池正极材料。
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