[發明專利]一種碳化鉬硫復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201710944055.1
• 申請日: 2017-10-12
• 公開（公告）號: CN107799745B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 謝海明;王釗;孫立群;劉佳;叢麗娜
• 申請（專利權）人: 東北師范大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M10/052
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉奇

本發明涉及鋰硫電池正極材料技術領域，提供了一種碳化鉬硫復合材料及其制備方法和應用，所述碳化鉬硫復合材料包含碳化鉬和硫單質，碳化鉬為多孔棒狀結構，長度為1～5μm，直徑為30～60nm，硫單質摻雜于碳化鉬的孔隙中，碳化鉬與硫單質的質量比為1～9：9～1。本發明提供的碳化鉬硫復合材料具有較高的比表面積和電子電導率，能夠提高硫的利用率，緩解飛梭效應。利用上述碳化鉬硫復合材料制備的鋰硫電池進行充放電測試，循環500次后仍保持有623～653mAh/g的可逆容量，容留保持在70％以上，具有超過93％的庫倫效率，循環性能得到顯著提高。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極材料技術領域，尤其涉及一種碳化鉬硫復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

近些年來，隨著電動車和儲能裝置的迅猛發展，目前商業化的鋰離子電池已經很難滿足人們對高能量密度的需求。鋰硫電池由于具有高能量密度、低成本特性，被人們認為是下一代電池的候選者之一。然而，由于硫元素較低的電子電導率，多硫化物溶解在電解液中，循環過程中大的體積變化導致飛梭效應，硫的利用率低，循環穩定差，這些都制約著鋰硫電池的實際應用。

現有技術中采用諸如Ti₄O₇和TiN等極性導電物質作為硫的載體進行復合作為鋰硫電池的正極材料，但是這些正極材料對多硫化物束縛性弱反而導致循環穩定差，并不適用于規模化生產。

因此，現有技術中更多的采用碳硫復合物來改善鋰硫電池的性能，由碳材料作為硫的載體，提高整體復合材料的電導率，同時能夠物理束縛多硫化物的自由擴散。但是，現有的碳硫復合物中碳材料和多硫化物之間相互作用較弱，隨著循環進行，循環次數的增加，多硫化物依然會擴散到電解液中，導致碳硫復合物循環性能和使用壽命不能得到滿足。

發明內容

本發明的目的在于提供一種碳化鉬硫復合材料及其制備方法和在鋰硫電池中的應用；本發明提供的碳化鉬硫復合材料具有較高的比表面積和電導率，能夠有效緩解飛梭效應，提高鋰硫電池的循環穩定性和使用壽命。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種碳化鉬硫復合材料，化學組成上包含碳化鉬和硫單質，所述碳化鉬為多孔棒狀結構，長度為1～5μm，直徑為30～60nm；所述硫單質摻雜于碳化鉬的孔隙中，碳化鉬與硫單質的質量比為1～9：9～1。

本發明還提供了上述碳化鉬硫復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將三氧化鉬原料、雙氧水和硝酸溶液混合后，經水熱處理得到棒狀三氧化鉬；

2)將所述棒狀三氧化鉬和碳前驅體材料混合、干燥，在保護氣氛下進行還原反應得到棒狀碳化鉬；

3)將所述棒狀碳化鉬和硫單質混合，在保護氣氛下進行熱處理得到碳化鉬硫復合材料。

優選的，所述雙氧水的濃度為0.01～0.35g/mL；所述硝酸溶液的濃度為0.01～0.7g/mL。

優選的，所述水熱處理的溫度為90～200℃，所述水熱處理的時間為1～72h。

優選的，所述碳前驅體材料包括葡萄糖、酚醛樹脂、苯胺、吡咯、噻吩、蔗糖和羧甲基纖維素中的一種或者兩種以上的混合物。

優選的，所述棒狀三氧化鉬與碳前驅體材料的質量比為1：0.05～200。

優選的，所述步驟2)和步驟3)中的保護氣氛獨立地為N₂、Ar、He和H₂中的一種或兩種以上的混合氣體。

優選的，所述步驟2)中還原反應的溫度為400～1200℃，還原反應的時間為1～72h。

優選的，所述步驟3)中熱處理的溫度為140～200℃，熱處理的時間為10～30h。