[發明專利]一種用于鋰硫電池的硫/多孔碳包覆碳納米管復合正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310428298.1
• 申請日: 2013-09-18
• 公開（公告）號: CN103500820A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 張治安;李強;包維齋;周成坤;賴延清;張凱
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 魏娟

技術領域

本發明涉及一種用于鋰硫電池的硫/多孔碳包覆碳納米管復合正極材料及其制備方法，屬于新能源領域。?

背景技術

隨著鋰離子電池在便攜式電子產品、電動汽車和即插式混合電動車中的廣泛應用，迫切需要開發更高能量密度的電池。由于鋰離子電池正極材料比容量提高受到限制，鋰離子電池的能量密度難以進一步大幅度增加。同時通過增加正極材料的電壓平臺提高能量密度又會帶來安全性問題。將正極材料從“脫嵌機理”轉到“轉換反應化學機理”，可望得到高比容量和比能量的材料。單質硫是最有前途的正極材料之一，硫同金屬鋰完全反應生成Li₂S，電池反應為S+2Li=Li₂S，為雙電子反應過程，不涉及鋰離子的脫嵌反應。由于硫的分子量低，硫的理論比容量高達1675mAhg^-1(幾乎是LiFePO₄的10倍)，而理論比能量則高達2600WhKg^-1。此外，單質硫在自然界儲量豐富、低毒、價格低廉，因此單質硫是一種非常有吸引力的正極材料。?

然而，鋰硫電池存在活性物質利用率低、循環性能差、倍率性能需要進一步提高等問題。而鋰硫電池中活性物質硫材料本身和最終放電產物Li₂S是電子和離子的絕緣體，放電過程中的中間產物多硫化物易溶解于電解液中，這些會造成活性物質的不可逆損失和容量衰減。為此，如何抑制多硫化物的擴散、改善硫的分布狀態以及提高硫正極循環過程中的導電性是硫基正極材料的研究重點。?

為解決鋰硫電池的這些問題，目前通常是將單質硫負載（裝填、附著、混合、外延生長、包覆等）到具有高比表面積、高孔隙率及良好導電性能特征的碳素類材料中，形成復合正極材料，以限制循環過程中多硫化物溶入電解液和由此引起的各種負面作用。其中，碳納米管具有導電性好、長徑比大等優點，它們之間可以橋搭成天然的導電網絡，有利于電子傳導和鋰離子的擴散。另外，碳納米管大?的長徑比可增強集流體、粘接劑和活性材顆粒間的接合力，對穩定電極結構產生積極的意義。但傳統的碳納米管材料一般比表面積較小，負載硫的能力有限，造成制備的復合正極材料中的硫含量低、分布不均勻，裝配成電池循環數圈后，仍然有大量活性物質硫會從碳納米管的表面溶解，造成活性物質的損失，鋰硫電池能量密度很難進一步提高。如果復合正極材料中硫含量進一步提升，大量硫分布在碳納米管的外表面，一方面導致電極的導電能力下降；另一方面這部分硫在電極反應后生成的多硫化物容易擴散穿梭，造成活性物質的不可逆損失，材料的電化學性能得不到較好的發揮。?