[發明專利]基于富硫過渡金屬硫化物的金屬-硫電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201710194409.5
• 申請日: 2017-03-28
• 公開（公告）號: CN106898750B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 李彥光;葉華林
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/05;H01M10/058
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒;孫周強

本發明公開了一種基于富硫過渡金屬硫化物的金屬?硫電池及其制備方法，包括正極、負極以及電解液；所述負極為金屬；所述正極包括過渡金屬硫化物，所述過渡金屬硫化物的化學式為MS_x，其中x≥3；M為釩、鈮、鈦、鉬、鎢、鐵、鈷和鎳中的一種或一種以上；所述金屬為鋰、鈉、鉀、鎂、鋁、鋅或者鐵；所述電解液為酯類電解液或者醚類電解液。本發明采用一類過渡金屬多硫化物作為與硫當量的正極材料，來實現一種新的金屬硫電池比如鋰硫和鈉硫電池體系，進而使得金屬?硫電池的應用潛力進一步提升。

技術領域

本發明屬于儲能技術領域，具體涉及一種基于富硫過渡金屬硫化物的金屬-硫電池及其制備方法。

背景技術

隨著鋰離子電池向電動汽車、航空、軍事等大型領域的發展，鋰離子電池的能量密度、功率密度等性能指標需要進一步提高。但是受限于鋰離子電池電極材料理論比容量的限制，即使考慮使用更高比容量的三元正極材料和硅碳負極材料，也很難使鋰離子電池的能量密度達到500 Wh kg^-1以上。在目前所研究的下一代儲能二次電池體中，鋰硫電池以其突出的理論能量密度（2567 Wh kg^-1）受到了人們的廣泛研究。另一方面，鋰資源的不斷消耗最終也會限制鋰硫電池的發展。因此，在大規模智能電網儲能上，具有更低成本的其他金屬-硫電池（鈉硫、鉀硫、鎂硫、鋁硫等）的優勢將會更加明顯。

然而，采用單質硫作為電極往往會導致一系列無法避免的問題。首先，單質硫以及最終放電產物的電子絕緣性極大地降低了整個電化學反應速率；其次，充放電過程中形成的多硫化物極易溶解在電解液中，并進一步擴散到負極被還原，從而造成多硫化物的穿梭效應；此外，金屬負極的不均勻沉積以及與多硫化物的化學反應會導引起負極表面枝晶的生長和多硫化物的侵蝕。所有的這些問題都源自多硫化物的溶解與擴散，從而導致活性物質的不斷消耗與損失，最終嚴重地制約了金屬硫電池的實用化。目前，大部分研究都集中于將單質硫包覆在多孔碳里面，從而來提高電極的導電性和減緩多硫化物的溶解與穿梭。但是，這并沒有從根本上解決多硫化物的損失問題，只是減緩了這一進程。同時，也有部分研究聚焦于含硫聚合物，這些含硫聚合物材料雖然也能很好地抑制多硫化物的溶解于穿梭，但是它們往往比容量比較低、動力學脫嵌速度也比較慢，而且在合成方法上也不可避免地需要使用高污染的有機溶劑。因此，很有必要構建一種新的金屬-硫電池體系，來實現高性能金屬-硫電池。

發明內容

本發明的發明目的是公開一種金屬-硫電池及其制備方法，首次利用過渡金屬硫化物及其復合物作為與硫當量的正極材料來設計室溫以及高溫金屬硫電池。

為實現上述目的，采用具體的技術方案如下：一種金屬-硫電池，包括正極、負極以及電解液；所述負極為金屬；所述正極包括過渡金屬硫化物。本發明采用一類過渡金屬多硫化物作為與硫當量的正極材料，來實現一種新的金屬硫電池比如鋰硫和鈉硫電池體系，進而使得金屬-硫電池的應用潛力進一步提升。

上述技術方案中，所述過渡金屬硫化物的化學式為MS_x，其中x≥3；M為釩、鈮、鈦、鉬、鎢、鐵、鈷和鎳中的一種或一種以上；所述金屬為鋰、鈉、鉀、鎂、鋁、鋅或者鐵；所述電解液為酯類電解液或者醚類電解液。本發明的金屬硫電池還可包括常規組件，比如常規隔膜等材料。

優選的，所述正極還包括碳基材料，比如碳納米管，石墨烯，碳纖維，多孔碳等，與過渡金屬硫化物復合形成碳基材料與過渡金屬硫化物復合體系，作為金屬硫電池的正極。

上述金屬-硫電池的制備方法，包括以下步驟，在碳基材料存在下，或者不在碳基材料存在下，以過渡金屬前驅體化合物為原料，制備碳基材料與過渡金屬硫化物復合體系或者過渡金屬硫化物；然后將所述碳基材料與過渡金屬硫化物復合體系或者過渡金屬硫化物制備為正極；以金屬為負極；然后將所述正極、負極、電解液、常規組件組裝制備金屬-硫電池。