[發(fā)明專利]一種錳酸鈷/NC/S復(fù)合材料及其制備方法和作為鋰硫二次電池正極材料的應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810303742.X
• 申請(qǐng)日: 2018-04-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108511723B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 錢東;范凱麗;劉貝貝;李俊華;趙丹;劉桂雨
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/525;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發(fā)明公開(kāi)了一種CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料及其制備方法和作為鋰硫二次電池正極的應(yīng)用。CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料由錳酸鈷(CoMn₂O₄)納米顆粒錨釘在氮摻雜石墨化多孔碳(NC)上再與硫復(fù)合而成，其制備方法：將金屬有機(jī)骨架材料ZIF?67焙燒處理，得到Co?N?C復(fù)合材料，再與錳鹽及高錳酸鹽進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到CoMn₂O₄/NC復(fù)合材料；進(jìn)一步與硫復(fù)合，即得CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料。該復(fù)合材料能對(duì)鋰硫二次電池充放電過(guò)程中形成的多硫化物同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)烈的化學(xué)吸附和物理吸附，能有效抑制多硫化物的溶解流失，減少穿梭效應(yīng)的發(fā)生，提高了鋰硫二次電池的壽命。同時(shí)該方法用廉價(jià)低毒的Mn部分替代昂貴有毒的Co應(yīng)用于鋰硫二次電池，具有重要的創(chuàng)新和實(shí)踐意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池材料，具體涉及一種CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料及其制備方法，以及將CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料作為鋰硫二次電池正極材料的應(yīng)用，屬于鋰硫電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來(lái)隨著便攜式移動(dòng)設(shè)備和電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，開(kāi)發(fā)具有更高能量密度的二次電池系統(tǒng)變得非常緊迫。目前，商用鋰離子電池的比能量密度可以達(dá)到250Wh/kg，但由于正極材料理論容量較低，能量密度的進(jìn)一步提升受到了極大的限制。因此，開(kāi)發(fā)新的電池系統(tǒng)勢(shì)在必行。在新能源儲(chǔ)能系統(tǒng)中，由于鋰硫電池能量密度高、成本低、資源豐富、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望的候選電池之一。然而，其實(shí)際應(yīng)用仍然受到各種因素的阻礙。首先，硫元素具有較差的導(dǎo)電性，最終的還原產(chǎn)物L(fēng)i₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體；其次，在充放電過(guò)程中，S₈分子被氧化還原為一系列長(zhǎng)鏈中間體S_n^2-(3≤n≤8)，這些中間體很容易溶解到有機(jī)電解質(zhì)中，并隨后穿梭于正負(fù)極之間，造成穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致低的循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)侖效率；第三，鋰在鋰化過(guò)程中存在明顯的體積膨脹(約80％)，充放電時(shí)反復(fù)膨脹和收縮會(huì)導(dǎo)致電池電極結(jié)構(gòu)的破壞。因此，鋰硫二次電池商業(yè)化的核心問(wèn)題是如何提高活性物質(zhì)的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)。針對(duì)上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)主要的解決方法為：1)正極以多孔材料封裝硫，從而減少硫和硫化鋰在充放電過(guò)程中造成的體積膨脹；2)在正極加入導(dǎo)電劑與硫進(jìn)行復(fù)合，解決硫?qū)щ娦圆畹膯?wèn)題；3)在正極加入極性物質(zhì)對(duì)多硫化物進(jìn)行束縛，避免穿梭效應(yīng)的發(fā)生；4)制備一定孔徑的選擇性隔膜，使得長(zhǎng)鏈的多硫化物無(wú)法穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極與金屬鋰進(jìn)行反應(yīng)，從而解決穿梭效應(yīng)的問(wèn)題；5)在電解液中添加硝酸鋰等硝酸鹽或其他物質(zhì)對(duì)鋰金屬表面進(jìn)行鈍化，從而減緩穿梭效應(yīng)等。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中鋰硫電池正極材料存在硫負(fù)載量低以及多硫化物易溶解流失的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的第一個(gè)目的是在于提供一種可以通過(guò)化學(xué)吸附和物理吸附協(xié)同作用抑制多硫化物溶解流失，減少穿梭效應(yīng)發(fā)生，且導(dǎo)電性好，穩(wěn)定性高的CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是在于提供一種步驟簡(jiǎn)單、容易控制、原料成本低的制備CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是在于提供CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料的應(yīng)用，將其作為鋰硫二次電池正極材料應(yīng)用，可以提高對(duì)多硫化物的吸附，減少穿梭效應(yīng)的發(fā)生，提高了鋰硫二次電池的壽命，且具有較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種CoMn₂O₄/NC/S復(fù)合材料的制備方法，該方法包括以下步驟：