[發明專利]一種雙碳基單鈦基硫復合正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810544513.7
• 申請日: 2018-05-30
• 公開（公告）號: CN108767228B
• 公開（公告）日: 2021-03-05
• 發明（設計）人: 宋英杰;徐寧;伏萍萍;馬倩倩
• 申請（專利權）人: 天津巴莫科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 王曉紅

本發明公開了一種雙碳基單鈦基硫復合正極材料及其制備方法，首先通過高速混合、噴霧干燥以及焙燒處理等工藝手段，利用有機碳源和鈦酸四丁酯的原位分解以及噴霧干燥造粒控制技術，得到了單碳基單鈦基一次粒子亞微米化，二次顆粒微米化球形硫復合材料；然后利用有機碳源的高溫分解得到了海綿狀多微米孔結構硬碳或軟碳；最后利用高能融合技術使球形硫復合材料融入硬碳或軟碳的多孔結構中，并利用后處理工藝增加二者的結合力，以及利用過篩工藝除去篩上物即得到最終產品。本發明的主要益處是：雙碳基結構不僅可以提高硫正極材料的導電性，而且可以抑制充放電過程中多硫化鋰的溶解；單鈦基結構不僅可以抑制充放電過程中多硫化鋰的溶解，而且可以使復合材料維持較高的比容量。

技術領域

本發明涉及鋰二次電池正極材料領域，尤其涉及一種雙碳基單鈦基硫復合正極材料及其制備方法。

背景技術

普及應用新能源汽車的關鍵是要實現其經濟性和使用的便利性與傳統燃油汽車相當。當前新能源汽車與傳統燃油汽車相比存在較大差距，提升經濟性和使用便利性是未來相當長一段時間內新能源汽車發展的主要方向。提升新能源汽車的經濟性和使用便利性，增加純電驅動行駛的續航里程是關鍵。為增加續航里程，必須增加搭載動力電池系統存儲的能量，在不顯著增加新能汽車重量和體積的前提下，必須提高動力電池的比能量和能量密度。《節能與新能源汽車技術路線圖》要求：2025年單體電池的比能量密度達到400Wh/kg，2030年單體電池的比能量密度達到500Wh/kg。現有的鋰離子電池體系比能量密度難以滿足上述技術要求，因此必須開發新型的電池體系。

鋰硫電池中硫系正極材料的理論比容量1675mAh/g、理論比能量2600Wh/kg，遠高于現有的鋰離子電池體系，且硫儲量豐富、對環境無污染，是非常有前景的一款正極材料，國內很多公司和研究機構近五年都投入了一定的精力對其進行研究。但硫系正極材料導電性較差，且在嵌鋰過程中形成的多硫化合物易溶于電解液，限制了其廣泛應用。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種雙碳基單鈦基硫復合正極材料及其制備方法，雙碳基結構不僅可以提高硫正極材料的導電性，而且可以抑制充放電過程中多硫化鋰的溶解；單鈦基結構不僅可以抑制充放電過程中多硫化鋰的溶解，而且可以使復合材料維持較高的比容量。

本發明的技術方案如下：一種雙碳基單鈦基硫復合正極材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將單質硫粉、有機碳源、鈦酸四丁酯和有機溶劑在高速混合機中混合均勻得到固液混合物I，其中有機碳源質量/硫粉質量＝5％～10％，鈦酸四丁酯質量/硫粉質量＝2％～5％，有機溶劑質量/(硫粉質量+有機碳源質量+鈦酸四丁酯質量)＝(4～5):1；

2)將所述固液混合物I在砂磨機中進行砂磨，得到固液混合物Ⅱ，固液混合物Ⅱ粒度D₅₀≤100nm；

3)將所述固液混合物Ⅱ在惰性氣氛下噴霧干燥，噴霧干燥溫度為150～180℃，得到物料Ⅲ，物料Ⅲ粒度D₅₀＝9～15μm，具有一次粒子亞微米化，二次顆粒微米化的球形結構；

4)將所述物料Ⅲ在惰性氣氛下進行焙燒，焙燒溫度為600～700℃，焙燒時間為2～8h，得到物料Ⅳ，物料Ⅳ為單碳基單鈦基硫復合材料；

5)將有機碳源在惰性氣氛下進行碳化，碳化溫度為750～850℃，碳化時間為4h～8h，得到物料Ⅴ，物料Ⅴ為海綿狀多微米孔結構硬碳或軟碳；

6)將所述物料Ⅳ和物料Ⅴ加入融合機中進行高能融合，融合機轉速為500～800轉/分鐘，融合時間為4～8h，使物料Ⅳ進入物料Ⅴ的多孔結構中，得到物料Ⅵ，其中物料Ⅳ質量/物料Ⅴ質量＝(5～6):1；

7)將所述物料Ⅵ在惰性氣氛下進行后處理，后處理溫度為400～450℃，后處理時間為2h～4h，得到物料Ⅶ，物料Ⅶ過篩即得到最終產品。

進一步：步驟1)所述有碳源為聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇。