[發明專利]一種高性能鋰硫電池正極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201310066922.8
• 申請日: 2013-03-04
• 公開（公告）號: CN103151524A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 銀鳳翔;陳標華;王志清
• 申請（專利權）人: 北京化工大學常州先進材料研究院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池電極材料，具體涉及一種鋰硫電池的正極材料及其制備方法。?

背景技術

目前以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子可充電電池理論比容量為275mAh/g，實際只有130～140mAh/g，盡管已經商業化，但是電池的比容量的提升空間不大，限制了電動工具，尤其是電動汽車的發展。而主要以硫（單質硫、有機硫等）為正極、金屬鋰為負極和電解液構成的鋰硫電池的理論比容量可以高達1675mAh/g，因此鋰硫電池逐步成為了人們研究的熱點。但是鋰硫電池在商業化之前，還存在不少問題需要解決，其中最主要的是鋰硫電池在充放電過程中電容量保持率低以及循環穩定性差。造成這兩個問題的主要原因是電池放電過程中，正極中單質S被還原生成多硫化物等中間產物，這些中間產物容易溶解在電解液中引起“飛梭現象”，降低了電池充放電的庫倫效率。同時，這些多硫化物會隨著電解液擴散到鋰電極表面進而腐蝕鋰（負極）電極，導致不可逆的容量損失。?

金屬有機骨架（MOFs,metal?organic?frameworks）材料是一類由金屬離子與含氧、氮等的多齒有機配體（大多數是芳香多酸）自組裝形成的微孔網絡結構的配位聚合物，具有孔隙率高、比表面積大、孔徑規整等優點，在氣體儲存、分離和催化方面表現出很好的應用前景。?

本發明將MOFs材料用于鋰硫電池的正極材料的制備，將單質S組裝到MOFs的孔中，將鋰硫電池在充放電過程中產生的多硫化物限制在MOFs材料的孔道中，減少飛梭現象，并阻止其隨電解液遷移，提高了鋰硫電池性能，以克服現有技術的不足。?

發明內容

本發明的目的是提供一種高性能鋰硫電極正極材料及其制備方法，將MOFs材料用于鋰硫電池的正極材料的制備，將硫組裝到MOFs的孔中，將鋰硫電池在充放電過程中產生的多硫化物限制在MOFs材料的孔道中，減少飛梭現象，并阻止其隨電解液遷移，提高了鋰硫電池性能，以克服現有技術的不足。?

本發明提供一種高性能鋰硫電池正極材料，包括硫復合材料和炭材料，其中硫復合材料是由硫和金屬有機骨架（MOFs）組成的。?

一種高性能鋰硫電池正極材料，主要由以下步驟來制備：?

（1）將硫組裝到MOFs孔中，制備成S/MOFs硫復合材料；?

（2）將S/MOFs硫復合材料再負載在炭材料上制備高性能鋰硫電池正極材料。?

所述步驟（1）中，硫通過熔融擴散法組裝到MOFs的孔中。?

所述步驟（1）中，MOFs材料孔徑在0.2～5nm，優選0.5～3.4nm；比表面積在100～6200m²/g，優選1000～6200m²/g。?

所述步驟（1）中，硫的來源有H₂S、Na₂S、K₂S、硫磺、C₂S、SO₂等含硫化合物。?

所述步驟（2）中，將S/MOFs硫復合材料負載在炭材料上的方法有球磨法、水熱合成法、球磨法和水熱合成法的組合、熔融擴散法。其中制備S/MOFs復合材料的方法中水熱合成法和熔融擴散法：反應溫度在100～200℃,優選120～180℃；升溫速率0～6℃/min，優選0～5℃/min；反應時間1～100h，優選4～70h；球磨法：球磨速率0～1000rpm,優選300～500rpm；球磨時間10～60min，優選15～55min。?

所述步驟（2）中，炭材料為活性炭、碳微球、介孔碳、碳化物衍生碳、碳分子篩、碳納米管、石墨烯等。?

所述步驟（2）中，炭材料的比表面積100～2700m²/g，優選500～2200m²/g。?

與現有技術相比，本發明提供的正極材料將鋰硫電池在充放電過程中產生的多硫化物限制在MOFs材料的孔道中，減少了飛梭現象，并阻止其隨電解液遷移，提高了鋰硫電池的電容量保持率和循環穩定性。?

具體實施方式

實施例1?

選用孔徑0.75nm、比表面積1698m²/g的MOFs在使用前經過170℃脫氣處理過夜，然后放入坩堝與一定量硫磺混合，通過熔融擴散法以0.2℃/min的升溫速率升溫至125℃保持4h，制得S/MOFs材料，在被用作電極之前S/MOFs與比表面積為285m²/g的活性炭以質量比3:1通過球磨法在300rpm條件下保持15min，即得到S/MOFs/碳材料。?