[發明專利]一種鋰硫電池電極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810033158.7
• 申請日: 2018-01-14
• 公開（公告）號: CN108232162B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發明（設計）人: 張漢平;朱甜;王亮;周佩
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M10/052
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 王美華

本發明屬于鋰硫電池的電極材料領域，特別涉及一種鋰硫電池電極材料及其制備方法：將具有電化學活性的焦磷酸鈦與硫電極材料復合，改善了鋰硫電池的電化學性能，提高了首次放電比容量以及循環穩定性，解決了單質硫不導電及流失等問題，還有效地調控了鋰硫電池的電壓。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池的電極材料領域，特別涉及一種鋰硫電池電極材料及其制備方法。

背景技術

鋰硫電池是一種以單質硫為電極材料、金屬鋰為對電極的新型鋰二次電池，因其具有較高的能量密度和比容量而受到人們的關注，成為下一代儲能電池的希望之一。但是單質硫和放電產物硫化鋰的導電性較差，其離子和電子絕緣性嚴重影響硫的利用率，導致容量的衰退；鋰硫電池具有兩個放電平臺，對應的是發生兩個電化學反應，單質硫就存在兩次相變，相對而言這會降低材料的結構穩定性；同時鋰硫電池放電過程中易形成溶解于電解液的多硫化物，引發穿梭效應，導致硫的流失，降低了硫的利用率。

對于上述問題，目前主要的解決的手段是對硫材料進行改性。通過碳(氧化石墨烯、MWCNT等)硫復合、硫-導電聚合物材料(PEDOT、PNAI、PPy等導電材料)復合和金屬氧化物(TiO₂、Al₂O₃等)包覆硫等方式提高了鋰硫電池的電化學穩定性。雖然上述材料能夠改善鋰硫電池的電化學性能，但由于這些材料不具有電化學活性，卻在電極材料中占一定的比例，在一定程度上會降低鋰硫電池的比容量。

發明內容

本發明提供了一種鋰硫電池電極材料，包括硫源與焦磷酸鈦的復合物，

焦磷酸鈦是具有電化學活性的物質，其單獨作為電極材料(金屬鋰作對電極)時的放電平臺在2.5V左右，能在該電壓下發生電化學反應，恰好與單質硫的一個放電平臺2.4V接近；本專利將具有電化學活性的焦磷酸鈦與硫電極材料復合，改善了鋰硫電池的電化學性能，解決了單質硫不導電及流失等問題，還有效地調控了鋰硫電池的電壓。

本發明還提供了上述鋰硫電池電極材料的制備方法：將包括硫源、焦磷酸鈦的原料通過物理方法或化學方法復合，

硫源為單質硫、硫代硫酸鈉、多硫化物中的一種或幾種的混合，

物理方法或化學方法為高溫煅燒、溶膠—凝膠法、水熱或溶劑熱法、沉積沉淀法、微乳液法、模板法中的一種或幾種的組合，

原料中還可以包括導電材料和/或金屬氧化物，

導電材料為碳納米管、介孔碳、石墨烯、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚氮化硫、聚對苯撐、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、金屬纖維及其衍生物中的一種或幾種的組合，

金屬氧化物為TiO₂、Al₂O₃等。

本發明的有益效果為：

硫電極材料具有兩個放電平臺，一個在2.4V，一個在2.1V。而通過將硫源和焦磷酸鈦復合，不僅可以調控鋰硫電池的電壓，放電平臺從原有的兩個降為一個，這就意味著電極材料只經歷一次相變，提高了材料的結構穩定性；還能提高首次放電比容量，提高鋰硫電池的循環穩定性。

附圖說明

圖1為對比實施例1組裝的基于多壁碳納米管/硫復合材料的電池充放電循環測試性能圖。

圖2為實施例1組裝的基于TiP₂O₇-多壁碳納米管/硫復合材料的電池充放電循環測試性能圖。

從圖1、圖2中可以看出：對比實施例1的鋰硫電池經過多次循環后依然有兩個放電平臺存在，而加入焦磷酸鈦，經過相應次數的循環后只有一個放電平臺存在，而鋰硫電池的兩個放電平臺對應的是發生兩個電化學反應，那么只有一個放電平臺時，說明焦磷酸鈦的復合影響了硫電極材料本身的電化學反應。