[發(fā)明專利]一種室溫鈉硫電池復(fù)合正極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811340276.9
• 申請(qǐng)日: 2018-11-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109638236B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝佳;彭林峰;王莉慧;李書(shū)萍;孫玉龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發(fā)明公開(kāi)了一種本發(fā)明屬于鈉電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高性能室溫鈉硫電池復(fù)合正極材料及其制備方法。其包括含硫活性復(fù)合材料和導(dǎo)電劑，所述含硫活性復(fù)合材料為硫化物和導(dǎo)電聚合物的復(fù)合物，其中，所述硫化物化學(xué)式表示為M_(1?x)S_x，其中x＝0.90～0.95；M為具有催化作用、且能夠增加電導(dǎo)率的金屬元素或半導(dǎo)體元素；所述含硫復(fù)合活性材料用于通過(guò)與負(fù)極提供的鈉離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)而存儲(chǔ)鈉離子。本發(fā)明的室溫鈉硫電池復(fù)合正極材料，制備方法簡(jiǎn)單，在室溫條件下即可表現(xiàn)出較高的比容量，較好的循環(huán)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的倍率性能，可極大提高電池的使用壽命及安全性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈉電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高性能室溫鈉硫電池復(fù)合正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速發(fā)展，人們正著力尋找一種安全、高效、穩(wěn)定、低廉的二次電池體系。鋰離子電池由于高的能量密度和較好的循環(huán)穩(wěn)定性，正成為人們研究的重點(diǎn)。但是，由于鋰在地殼中的含量相對(duì)較低，使得鋰價(jià)格高昂，使用成本較高。與鋰相比，鈉的原料易得，價(jià)格低廉，鈉在地殼中的含量是鋰的400多倍，且鈉與鋰在元素周期表中處于同一主族，二者擁有很多相似的物理化學(xué)性質(zhì)，因此，是否能用鈉離子電池取代高昂的鋰離子電池，逐漸成為科研工作者研究的重點(diǎn)工作之一。

鈉硫電池以單質(zhì)硫作為正極活性物質(zhì)，以金屬鈉作為負(fù)極，其理論能量密度為760Wh/kg。目前，關(guān)于鈉硫電池最知名的應(yīng)用為日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作開(kāi)發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池，主要用于電能儲(chǔ)存和使用過(guò)程中的削峰平谷。但是，該電池在使用過(guò)程中的溫度要保持在300-350℃，運(yùn)行和維護(hù)成本都非常高，一般的儲(chǔ)能電站根本承擔(dān)不起如此高昂的費(fèi)用；并且，如此高的運(yùn)行溫度也大大增加了電池的安全隱患。這些問(wèn)題使得鈉硫電池?zé)o法滿足現(xiàn)代社會(huì)便攜式，低成本和高安全的使用要求，嚴(yán)重影響了其發(fā)展。另一方面，由于材料自身的化學(xué)性質(zhì)，在電池循環(huán)過(guò)程中，硫與鈉形成可溶的多硫化物溶解于電解液中；且硫的電導(dǎo)率低，充放電過(guò)程中會(huì)有嚴(yán)重的體積膨脹。這些因素都會(huì)導(dǎo)致電池容量急速衰減，嚴(yán)重影響電池的使用壽命。因此，如何通過(guò)技術(shù)手段抑制多硫化物溶解，減小硫的體積膨脹，開(kāi)發(fā)室溫條件下可使用的高安全，高穩(wěn)定，低成本的便攜式鈉硫電池，是目前迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種高性能室溫鈉硫電池復(fù)合正極材料及其制備方法，其目的在于通過(guò)將硫元素與能夠提高其電導(dǎo)率且復(fù)合后對(duì)儲(chǔ)鈉過(guò)程中的氧化還原反應(yīng)具有催化作用的元素復(fù)合得到硫化物，再將該硫化物與導(dǎo)電聚合物復(fù)合作為活性材料，相應(yīng)獲得了一種不僅有效提高了硫的電導(dǎo)率，并在電池循環(huán)過(guò)程中能有效抑制多硫化物溶解，且在室溫下能穩(wěn)定發(fā)揮其電化學(xué)性能的鈉硫電池復(fù)合正極材料，由此解決現(xiàn)有的鈉硫電池復(fù)合正極材料運(yùn)行溫度高、多硫化物溶于電解液、硫?qū)щ娐实鸵痼w積膨脹等技術(shù)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種鈉硫電池復(fù)合正極材料，其特征在于，其包括含硫活性復(fù)合材料和導(dǎo)電劑，所述含硫活性復(fù)合材料為硫化物和導(dǎo)電聚合物的復(fù)合物，其中，

所述硫化物化學(xué)式表示為M_(1-x)S_x，x＝0.90～0.95；M為能夠增加該正極材料電導(dǎo)率的金屬元素或半導(dǎo)體元素；

所述含硫活性復(fù)合材料用于通過(guò)與負(fù)極提供的鈉離子進(jìn)行離子交換反應(yīng)而存儲(chǔ)鈉離子；所述導(dǎo)電聚合物含有碳元素，該導(dǎo)電聚合物起到導(dǎo)電作用，且能夠與所述硫化物形成C-S鍵和S-M鍵；

所述導(dǎo)電劑與所述含硫活性復(fù)合材料混合用于該鈉硫電池正極材料的制備。

優(yōu)選地，M為Se、Co、Ni或Te。

優(yōu)選地，所述硫化物按照如下方法獲得：將單質(zhì)S與單質(zhì)M按照質(zhì)量比15～20：1混合后燒結(jié)而成。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電聚合物為聚丙烯腈PAN、聚吡咯PPy或聚苯胺PANI。