[發明專利]一種鋰硫電池正極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201910040201.7
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109698344A
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 張小溪;陳偉;王海文
• 申請（專利權）人: 江西中汽瑞華新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發明公開了一種鋰硫電池正極材料的制備方法，具體制備過程如下：將適量六水硝酸鋅、苯二甲酸、科琴黑以及表面活性劑加入到N，N?二甲基甲酰胺中制成混合溶液，然后將混合液超聲攪拌至分散均勻；將混合液裝入水熱反應釜中進行水熱反應得到KB@MOF?5；將KB@MOF?5置于有惰性氣體保護的管式爐中，經高溫碳化后獲得KB@Meso?C；在惰性氣體保護的管式爐中，通過熱處理將活性硫熱熔融到KB@Meso?C復合材料中，得到KB@Meso?C/S。本發明通過在正極材料的表面包覆科琴黑，可以有效緩解鋰硫電池正極材料中的活性硫在充放電過程中中間產物多硫化鋰的溶解及在正負極間來回的穿梭，提高鋰硫電池正極材料電子電導率和鋰離子遷移率，從而提高鋰硫電池的可逆比容量、倍率性能、循環穩定性及壽命。

技術領域

本發明屬于鋰電池制備領域，涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術

在20世紀60年代首次提出鋰-硫電池的概念，作為有前景的下一代鋰二次電池體系，鋰-硫電池是通過鋰和硫之間的可逆電化學反應儲存和輸送能量，理論上，由于其活性材料硫的理論容量1675mAh g^-1比常規電池高一個數量級，鋰硫電池的能量密度(2600Whkg^-1)五倍于商用電池，傳統的鋰離子電池正極材料理論能量密度在350～400Wh kg^-1，實際能量密度在100～220Wh kg^-1，限制了其在大功率充放電領域的應用(如電動汽車、靜態儲能等)，由于傳統電池在電動車輛和便攜式設備中失去其吸引力，鋰硫電池逐漸流行。

目前鋰-硫電池的學術研究尚未轉化為商業成功，其較差的循環穩定性是阻礙其向應用邁進的主要問題，其存在的問題主要有以下幾點：

(1)硫的絕緣性：元素硫及其鋰化合物(Li₂S)不導電，造成硫的利用有限，很少實現理論容量。因此，為了確保高容量和倍率性能，導電基體起著關鍵作用。

(2)可溶性多硫化物：長鏈鋰-硫化合物(Li₂S_x，x＝4～8)的溶解導致正極附近多硫化物濃度偏大，在濃度梯度驅動下從正極擴散出來，導致容量的降低。在電池循環過程中，電解液粘度逐漸增加并且飽和，多硫化物的遷移將被減輕。

(3)穿梭效應：描述了部分溶解的多硫化物在兩個電極之間不斷穿梭和轉化的現象，導致低的庫侖效率，是電池容量降低的主要原因。然而，近來已經發現，電解質中的添加劑例如LiNO₃可在鋰負極上產生鈍化膜，這有助于抑制表面反應和穿梭效應。

(4)形態重建：由于鋰-硫電池中的電化學過程需要固-液-固轉變，重復的成核和溶解將對電極的形態產生顯著的影響，活性材料將在正極中重新分布，并且從導電基體中分離出的那些將變得無活性，體積膨脹使再分布復雜化，這導致正極形態與其初始狀態完全不同。

發明內容

本發明的目的在于提供一種鋰硫電池正極材料的制備方法，該方法通過在正極材料的表面包覆科琴黑，可以有效緩解鋰硫電池正極材料中的活性硫在充放電過程中中間產物多硫化鋰的溶解及在正負極間來回的穿梭，提高鋰硫電池正極材料電子電導率和鋰離子遷移率，從而提高鋰硫電池的可逆比容量、倍率性能、循環穩定性及壽命。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種鋰硫電池正極材料的制備方法，具體制備過程如下：

第一步，將適量六水硝酸鋅、苯二甲酸、科琴黑以及一定量的表面活性劑加入到足量的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中制成混合溶液，然后將混合液超聲攪拌至分散均勻；

第二步，將第一步所得的混合液裝入水熱反應釜中水熱反應一段時間后，將水熱反應釜放置到烘箱中加熱到設定溫度后保溫一定時間，然后自然冷卻到室溫，接著將水熱反應釜中的沉淀過濾洗滌后烘干，獲得科琴黑包覆金屬有機框架MOF-5復合材料，即KB@MOF-5；