[發明專利]基于金屬有序多孔結構的光子晶體鋰硫電池的制備方法

有效

• 申請號: 201810162055.0
• 申請日: 2018-02-26
• 公開（公告）號: CN108461706B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 胡曉斌;林升炫
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/134;H01M4/139;H01M4/1395;H01M4/04;H01M4/80;H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發明涉及基于金屬有序多孔結構的光子晶體鋰硫電池的制備方法，以聚苯乙烯蛋白石為模板，沉積金屬后去除其中的聚苯乙烯獲得有序多孔結構的金屬光子晶體，然后將單質硫和鋰金屬分別填入有序多孔結構的金屬光子晶體中，分別獲得三維有序多孔結構的光子晶體硫正極和光子晶體鋰負極，再將正負極組裝成鋰硫電池即可。與現有技術相比，本發明制得的光子晶體鋰硫電池具有更快的離子傳導率和離子傳輸率，同時可以有效抑制中間相聚硫化物的溶解，抑制電極的體積膨脹以及抑制鋰枝晶的生長，從而獲得高的比容量，快速充放電和良好的循環壽命等性能。

技術領域

本發明屬于鋰電池技術領域，尤其是涉及基于金屬有序多孔結構的光子晶體鋰硫電池的制備方法。

背景技術

隨著自然資源的日益枯竭，傳統的不可再生能源無法繼續滿足人類社會發展的需要，人們對可替代能源的需求日益迫切。鋰離子電池作為當前常用的電化學存儲裝置具有良好的熱安全性、良好的可逆性和無毒性等特點。但是，鑒于鋰離子電池是基于鋰離子在兩極之間來回嵌鋰脫鋰的反應機理，它的理論比容量和能量密度受到限制，無法滿足大功率設備如動力汽車等的需求。

鋰硫電池是人們日常生活中一種具有廣泛應用前景的能源存儲裝置。它的反應機理與鋰離子電池不同，是基于金屬鋰與硫的化學反應，因此具有高的理論比容量(1675mAhg^-1)、高的理論能量密度、硫的豐富性以及環境友好性等特點。同時，鋰硫電池具有以下缺陷。首先，硫單質、中間相聚硫化物以及最終產物硫化鋰的電子導電率都很低，導致鋰硫電池的倍率性能不佳，尤其是在高倍率的情況下。其次，中間相聚硫化物容易溶解在電解液中而發生穿梭效應，導致正極中硫的含量減少，影響電池的使用壽命。再次，反應過程中硫容易發生體積膨脹粉化進而脫離電極，造成電極材料的損失。最后，鋰金屬負極的表面在反應過程中容易產生鋰枝晶，降低電池的循環性能的同時也會給電池的安全性帶來隱患。

隨著科技的發展，對鋰硫電池的能量密度、快速充放電以及使用壽命等的要求也更高，因此需要從鋰硫電池的結構、工藝和材料上進行創新。其中，改變鋰硫電池正負極的電極結構是一個很重要的改進方向。

為了達到此技術要求，需要做出高技術含量的鋰硫電池電極，具體要求就是：高電子傳導率、高離子傳輸率、抑制中間相聚硫化物溶解、抑制電極體積膨脹及抑制鋰枝晶生長。

經過對現有技術的檢索發現，Arumugam Manthiram課題組用泡沫鎳作集流體，將硫單質填入泡沫鎳的空隙中，一定程度上提高硫正極的電子傳導率和離子傳輸率。組裝成電池進行測試，0.2C倍率時的放電容量大于900mAhg^-1。

但是在該現有技術中，泡沫鎳的孔尺寸為幾十微米甚至達到幾百微米，從而硫顆粒尺寸也是微米級的，減少了硫與集流體和電解液的接觸面積，從而降低電極的電子傳導率和離子傳輸率。其次泡沫鎳的孔是雜亂無序的，不能起到均勻分散硫在集流體中位置的作用，造成有的地方硫相對集聚，降低其與鋰離子的反應效率。同時一百微米級的泡沫鎳孔無法有效抑制聚硫化物溶解至電解液中，造成較低的循環壽命。最后，該現有技術沒有解決鋰枝晶生長的問題。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于金屬有序多孔的光子晶體鋰硫電池的的制備及其應用。本發明所制得的鋰硫電池具有高的比容量，快速充放電及良好的循環性能等特點。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

基于金屬有序多孔結構的光子晶體鋰硫電池的制備方法，以聚苯乙烯蛋白石為模板，沉積金屬后去除其中的聚苯乙烯獲得有序多孔結構的金屬光子晶體，然后將單質硫和鋰金屬分別填入有序多孔結構的金屬光子晶體中，分別獲得三維有序多孔結構的光子晶體硫正極和光子晶體鋰負極，再將正負極組裝成鋰硫電池即可。