[發(fā)明專利]用于鋰硫電池正極的氟化碳納米管/碳納米管海綿復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710919190.0
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN109599535B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮奕鈺;王偉哲;封偉;曹宇;楊洪宇
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發(fā)明提供用于鋰硫電池正極的氟化碳納米管/碳納米管海綿復(fù)合材料及其制備方法，將無水乙醇和鄰二氯苯混合后，加入二茂鐵后，將上述混合材料注射到含有氬氣和氫氣的保護的高溫管式爐中，得到的自支撐碳納米管海綿材料；向氟化碳納米管中加入無水乙醇溶液，超聲分散，得到氟化碳納米管乙醇分散液，將自支撐碳納米管海綿材料隨石英基底一同浸漬氟化碳納米管乙醇分散液中，在室溫下抽真空，隨后放置于常壓干燥箱中干燥，將石英圓片剝離，得到單側(cè)包裹氟化碳納米管的碳納米管海綿復(fù)合材料。該復(fù)合材料能有效吸附和抑制多硫化鋰中間產(chǎn)物想鋰負(fù)極擴散，成功提升鋰硫電池比容量和循環(huán)性能等其他性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說涉及一種鋰硫電池正極材料、其制備方法及包含上述鋰硫電池正極材料的鋰硫電池。

背景技術(shù)

隨著世界人口的不斷增長，能源需求的增加和氣候的變化，我們必須將重點放在為人類創(chuàng)造一個可持續(xù)的能源未來的同時，還要保護我們脆弱的環(huán)境。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要減少我們對化石燃料的依賴，并轉(zhuǎn)向清潔、可再生能源。然而，這些可再生能源需要先進能源存儲系統(tǒng)，可以當(dāng)它處在過量狀態(tài)時儲存，在被需求時釋放回電網(wǎng)，以維持家庭和工業(yè)穩(wěn)定的電源供應(yīng)。不幸的是，鋰離子電池?zé)o法滿足固定式電網(wǎng)儲能的高能量要求。電池有限的能量密度也阻礙了他們在各種新興移動運輸工具上的運用。這便引發(fā)了全球探索超越傳統(tǒng)鋰離子電池的新電池技術(shù)。

單質(zhì)硫在常溫下以S₈的形式存在，在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和能量密度較高，分別達(dá)到1672mAh g^-1和2600Wh kg^-1，工作電壓通常可以達(dá)到2.1V左右，被認(rèn)為是現(xiàn)在最具研究價值和應(yīng)用前景的鋰二次電池體系之一。

雖然鋰硫電池具有高容量、高比能量等優(yōu)點，但是目前存在著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命低和安全性差等問題，這些問題嚴(yán)重制約著鋰硫電池的發(fā)展。造成上述問題的主要原因有以下幾個方面：

(1)單質(zhì)硫是電子和離子絕緣體，室溫電導(dǎo)率低(5*10^-30S cm^-1)，由于沒有離子態(tài)的硫存在，因而作為正極材料活化困難；

(2)在電極反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高聚態(tài)多硫化鋰Li₂S_n(4≤n＜8)易溶于電解液中，在正負(fù)極之間形成濃度差，在濃度梯度的作用下遷移到負(fù)極，高聚態(tài)多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態(tài)多硫化鋰。隨著以上反應(yīng)的進行，低聚態(tài)多硫化鋰在負(fù)極聚集，最終在兩電極之間形成濃度差，又遷移到正極被氧化成高聚態(tài)多硫化鋰。這種現(xiàn)象被稱為穿梭效應(yīng)，降低了硫活性物質(zhì)的利用率。同時不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉積在鋰負(fù)極表面，更進一步惡化了鋰硫電池的循環(huán)性能；

(3)反應(yīng)最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S同樣是電子絕緣體，會沉積在硫電極上，而鋰離子在固態(tài)硫化鋰中遷移速度慢，使電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速度變慢；

(4)硫和最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S的密度不同，當(dāng)硫被鋰化后體積膨脹大約79％，易導(dǎo)致Li₂S的粉化，引起鋰硫電池的安全問題。