[發明專利]核-殼型納米顆粒及其在電化學電池中的用途

在審

• 申請號: 201880089784.6
• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN111742430A
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 應儀如;陽金華;K·扎吉布;M·L·特魯多
• 申請（專利權）人: 新加坡科技研究局;魁北克電力公司
• 主分類號: H01M4/50
• 分類號: H01M4/50;H01M4/13;B82Y30/00
• 代理公司: 北京世峰知識產權代理有限公司 11713
• 代理人: 康健;王思琪

本文描述了核?殼型納米顆粒，所述核?殼型納米顆粒包含式M_yO_x的多孔金屬氧化物核，包含TiO₂和的元素硫(S₈)的殼層，元素硫作為電化學活性材料摻入到所述金屬氧化物核的孔中，它們在電極材料中的用途以及它們的制備方法。在一個優選實施方案中，多孔金屬氧化物核是氧化錳(MnO)，且元素硫通過熔融擴散工藝摻入到所述金屬氧化物核的孔中。還描述了包含核?殼型納米顆粒的復合材料、電極材料、電極和電化學電池以及它們在鋰硫蓄電池中的用途。

相關申請

本申請根據適用的法律和法規要求于2017年12月22日提交的新加坡申請No.10201710771Q的優先權，其內容通過引用整體并入本文以用于所有目的。

技術領域

本技術領域一般涉及包含核-殼型納米顆粒(NP)的電極材料，其合成方法和在鋰-硫(Li-S)電化學電池中的用途。

背景技術

鋰-硫(Li-S)蓄電池(battery)通常包含鋰金屬負極(anode)，包含元素硫(S₈)的正極(cathode)和電解質。鋰-硫蓄電池是滿足新興市場需求的最有前途的候選者。實際上，通過方程式16Li+S₈→8Li₂S所示的多電子氧化還原反應，Li-S蓄電池的理論容量和能量密度分別為1,675mA h g^-1和2,500kW kg^-1。此外，硫具有非常高的天然豐度和合成豐度。合成豐度歸因于硫是石油煉制的副產物。

然而，鋰-硫蓄電池的實際應用主要受到硫顆粒的差的電子傳導性、中間體多硫化物(Li₂S_x，其中3x≤8)溶解于電解質中和鋰化時的大體積膨脹(～80％)的阻礙，這導致容量衰退和低庫侖效率。一旦溶解，Li₂S_x物質就會參與使鋰表面不穩定的所謂的“飛梭效應(shuttle effect)”現象。這種現象對于降低蓄電池穩定性及其低庫侖效率也起關鍵作用。

為了改善Li-S蓄電池的長期循環性能，已經進行了廣泛的努力以改善硫顆粒的電子電導率并降低Li₂S_x“飛梭效應”。所提出的策略之一是將硫顆粒包封在多孔導電材料中，諸如碳、氧化石墨烯和/或導電聚合物。然而，沒有發現這些中的任何一個對于防止Li₂S_x溶解是最佳的。結構化金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物和硫屬化物作為主體材料也已經被廣泛研究，這是因為它們與溶解的Li₂S_x強烈的化學相互作用。實際上，發現它們顯著改善了電池的壽命。然而，已知這些材料的電子電導率低，因此妨礙了電子傳輸路徑，導致低硫利用率和差的循環穩定性。還進行了相當大的努力來應對第三個挑戰(即，在快速鋰化時的體積膨脹)。提出的策略之一是將硫顆粒包封在具有核-殼形態的復合物中。使用這種途徑獲得了顯著改善的循環穩定性和效率，但仍有改進的空間。

因此，需要用于改善Li-S蓄電池的長期循環性能的替代和補充技術途徑。

發明內容