[發明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910172780.0
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN109755540B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 王新;王加義
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 天津市尚文知識產權代理有限公司 12222
• 代理人: 楊秀偉

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。所述方法包括：配制N，N?二甲基甲酰胺、甲醇、苯二甲酸的混合溶液，超聲分散加入鈦酸四丁酯，置于聚四氟乙烯內襯的反應釜中，在120～150℃下反應制得金屬有機骨架材料MIL?125(Ti)；將MIL?125(Ti)置于乙酸鈷溶液中，離心分離后在氬氣氣氛下高溫煅燒得到四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料；與純相納米硫粉球磨混合后，在氮氣保護下熱處理得到硫?四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料。所述材料將四氧化三鈷/二氧化鈦/碳有機結合在一起，碳材料孔道的吸附性可以限制多硫化物的“穿梭效應”，通過吸附作用和催化作用來抑制中間產物的溶解，提高吸附在載體表面活性材料的電化學反應速度，并且提高了Li?S電池的容量和循環性能。

技術領域

本發明涉及一種用于鋰硫電池正極材料及其制備方法，具體涉及一種硫-四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合鋰硫電池正極材料的制備方法，屬于材料化學領域。

背景技術

據統計，中國是目前世界上第二位能源生產國和消耗國，能源資源總量比較豐富，但是能源資源人均擁有量較低，且貯存分布不均衡，開發難度較大。隨著經濟的迅速發展，能源消耗量的快速增加，人類正面臨著資源日漸枯竭、環境污染嚴重，極端天氣頻發，生態系統嚴重破壞等一系列問題，這些問題使得我們迫切需要可再生的新型能源以代替傳統能源，進而緩解日益嚴重的環境惡化和資源短期等問題。以活性物硫為正極材料，金屬鋰為負極的鋰硫電池，可提供1675 mAh g^-1的高理論比容量和2600 Wh kg^-1的理論比能量，遠遠高于鋰離子電池的能量密度，其理論比容量至少是插層陰極的3-5倍，同時活性材料硫具有儲量豐富(極低的成本)，對環境友好等優點，使鋰硫電池成為最有潛力的下一代二次電池。然而，由于整個氧化還原對的固有性質，這種具有高比容量和長循環壽命的固一固相直接轉換存在著巨大困難。首先是活性物質的利用，由于硫及其還原產物都是電子和離子絕緣體，因此在整個電化學反應過程中須始終與導電基體保持良好接觸，這是特別難以實現的，其次因為聚合物（中間反應物質）易溶于電解質中，在擴散作用下能穿過隔膜到達負極與Li反應，所以不斷充放電時在內部產生“穿梭現象”，在正極表面產生沉積導致活性物質損失，使得鋰硫電池容量快速衰減、循環性能差。

Tarascon課題組利用多硫化物和含氧結構之間的弱結合力率先使用金屬有機骨架(MOF)作為硫儲存的宿主材料，通過使用介孔MOF和MIL-100(Cr),發現該電池的容量保持率顯著提高。除此之外，眾多研究者己經證明可以采用其他MOF作為硫儲存的宿主材料。由于MOF是一類多孔材料，通過調控金屬離子和有機基團，可以合成多種不同結構形式的化合物。通過合理設計和系統地調整MOF結構，有效地存儲硫并抑制多硫化物溶解擴散，是提高鋰硫電池性能的一條重要途徑。

發明內容

本發明針對現有鋰硫電池正極材料存在的載硫量低，穿梭效應明顯，循環穩定性差等問題，提供一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。具體的，所述鋰硫電池正極材料為一種硫-四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料，該方法主要先制備金屬有機骨架材料MIL-125，在其孔道內填入鈷鹽，高溫煅燒得到四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料，隨后利用球磨和熱融法摻硫制備硫-四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合鋰硫電池正極材料。

本發明采用的技術方案是：

一種硫-四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合鋰硫電池正極材料，其通過在金屬有機骨架材料MIL-125的孔道內填入鈷鹽，高溫煅燒得到四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料，隨后利用球磨和熱融法摻硫，得到硫-四氧化三鈷/二氧化鈦/碳復合材料。

一種制備鋰硫電池正極材料的方法，包括以下步驟：

（1）制備金屬有機骨架材料MIL-125：