[發明專利]一種硫復合正極材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201911221292.0
• 申請日: 2019-12-03
• 公開（公告）號: CN110957483A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 陳斐;胡清;沈強;張聯盟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明

本發明提供一種硫復合正極材料的制備方法及其應用，該硫復合正極材料的制備方法，包括以下步驟：1)將鋰離子基質材料和導電基質材料混合后，球磨，得到混合物A；2)將單質硫與所述混合物A混合后，球磨，得到混合物B；3)在惰性氣體保護下，采用熔融擴散法將所述混合物B熱處理，然后，冷卻，得到硫復合正極材料。本發明可將硫有效的固定在鋰離子基質材料和導電基質材料中，使得復合硫正極具有良好的離子和電子導電性能，所組裝的全固態鋰硫電池表現出很好的循環性能和較高的放電比容量和容量保持率，具有較強的實用性。

技術領域

本發明涉及電池技術領域，特別涉及一種硫復合正極材料的制備方法及其應用。

背景技術

目前商業化的鋰離子電池的正極材料是LiFePO₄和LiCoO₂，負極材料是石墨或硬碳。經過多年的發展，商業化的鋰離子電池的實際能量已經接近于其理論比能量。然而由于電極材料固有的低的理論比容量和比能量，很難進一步提升其容量和能量密度。因此，開發新型的高能量密度電極材料(比如多電子反應電極材料、高氧化還原電壓電極材料)以及基于新化學原理的新型鋰二次電池體系迫在眉睫。Li-S電池以高理論比容量的硫(1675mAh/g)和金屬鋰(3860mAh/g)作為電極材料為，其比容量遠高于以石墨負極(372mAh/g)和鈷酸鋰(274mAh/g)/磷酸鐵鋰(170mAh/g)正極構成的鋰離子電池。此外，硫的來源廣泛、儲量豐富、成本低廉。因此高比能量及比容量的鋰硫電池將是下一代最具有發展前景的二次電池。

然而，鋰硫電池依然存在許多問題，例如硫的導電性差，充放電過程中的體積膨脹，目前主要解決的方法是將硫與導電材料以及極性材料復合以提高硫正極的導電性，但始終無法避免鋰硫電池的另一問題—多硫化物的穿梭效應，值得注意的是采用固體電解質的全固態鋰硫電池在原理上可以有效地解決液態鋰硫電池中的“穿梭效應”。但全固態鋰硫電池相比于采用電解液為介質的液態鋰硫電池，固態鋰硫電池中活性物質硫電子絕緣以及離子絕緣，以致于正極鋰離子遷移速率慢，影響電池的充放電性能。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種硫復合正極材料的制備方法，以解決現有全固態鋰硫電池中正極鋰離子遷移速率慢，導致電池的充放電性能較低的問題。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種硫復合正極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將鋰離子基質材料和導電基質材料混合后，球磨，得到混合物A；

2)將單質硫與所述混合物A混合后，球磨，得到混合物B；

3)在惰性氣體保護下，采用熔融擴散法將所述混合物B熱處理，然后，冷卻，得到硫復合正極材料。

可選地，所述步驟1)中所述鋰離子基質材料為LiI、LIBr、LiCl、LiTFSi、Li₇La₃Zr₂O₁₂、Li_6.4Ga_0.2La₃Zr₂O₁₂、Li_0.33La_0.557TiO₃、Li₅La₃ZrNb₂O₁₂、Li₃PS₄中的一種或多種。

可選地，所述步驟1)中所述導電基質材料為有序介孔碳、碳納米纖維、科琴黑、多壁式碳納米管、金屬有機框架、石墨烯、氮摻雜多孔碳、氮摻雜多壁式碳納米管、硼摻雜多孔碳、硼摻雜多壁式碳納米管、磷摻雜多孔碳、磷摻雜多壁式碳納米管、單壁式碳納米管/微孔碳、多壁式碳納米管/介孔碳、多壁式碳納米管/中空納米管、有序介孔碳/微孔碳中的一種或多種。