[發明專利]鋰硫電池復合正極活性材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 202010049622.9
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111244445B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 張治安;鄭景強;賴延清;謝楊洋;覃富榮;洪波;張凱;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;C01B32/05;C01B19/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明涉及一種新型鋰硫電池正極材料。更具體地，本發明涉及一種鋰硫電池復合正極活性材料，包括若干模板刻蝕孔具有通孔結構的多孔碳；原位填充在多孔碳的孔腔室內的硒化釩納米片；以及單質硫源。本發明還提供了所述的材料的制備和應用。本發明所述的材料，在鋰硫電池充放電區間內作為導電基底的硒化釩材料能通過插層反應貢獻出一部分容量，同時硒化釩材料可大大改善傳統多孔碳基底材料吸液量大的問題，顯著降低鋰硫電池的液硫比，另外硒化釩能夠提高碳基底對多硫化物的吸附能力并高效催化多硫化物的轉化，協同多孔碳抑制穿梭效應。因此，根據本發明的鋰硫電池具有能量密度高、大倍率放電良好，并顯示出優異的放電容量和壽命特性。

技術領域

本發明涉及電池電極材料制備領域，具體涉及一種鋰硫電池正極用材料。

背景技術

化石能源的逐漸枯竭，便攜式電子設備、電動及混合動力汽車和大型儲能設備的迅猛發展迫使人們去開發更高能量密度的二次電池。不同于常規的鋰離子電池的發生的是鋰離子在正負極中的嵌入和脫出；鋰金屬電池負極的充放電過程是鋰金屬的溶解和沉積過程；其基本反應式為：充電:Li⁺+e＝Li；放電:Li-e＝Li⁺。其對應的理論比能量3860mAh/g，及最低的氧化還原電勢(-3.040V vs.標準氫電極)。

鋰硫電池作為一種鋰金屬電池類型，由于其理論能量密度為2600wh/kg，是目前市場上的鋰離子電池能量密度的5倍以上。正極硫的理論比容量為1675mAh/g，同時硫在地球中的儲量十分豐富、價格比較便宜、對環境無污染等優點，使得鋰硫電池是下一代極具有應用前景的二次電池儲能體系。然而，鋰硫電池容量較低、循環穩定性差和庫倫效率低等問題嚴重阻礙了鋰硫電池的實際應用。這些問題是與多硫化物溶解在電解液中導致的穿梭效應緊密相連的。通過引入添加劑與中間產物多硫化鋰形成強烈的化學作用，從而抑制其在有機電解液中的溶解，是一種解決穿梭效應非常有效的方法。然而對于一個高硫負載量、低電解液用量的產業化鋰硫電池來說，有限的化學吸附位點往往無法能夠完全吸附如此高濃度的多硫化鋰。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的不足之處而提供一種新型鋰硫電池復合正極活性材料，旨在提供一種可以有效催化多硫化物降解、具有高比容量、高倍率以及優異循環性能的鋰硫電池正極活性材料。

本發明第二目的在于，提供一種鋰硫電池復合正極活性材料的制備方法，旨在提供一種可制得具有優異倍率性能、高比容量和循環容量保留量的復合正極活性材料的方法。

本發明第三目的在于，提供一種所述的復合正極活性材料在鋰硫電池中的應用。

本發明第四目的在于，提供一種添加有所述的復合正極活性材料的鋰硫電池。

一種鋰硫電池復合正極活性材料，包括若干模板刻蝕孔且具有通孔結構多孔碳(具有模板刻蝕孔的蜂窩狀多孔碳)；原位復合的硒化釩納米片；以及單質硫源。

本發明提供了一種全新原位復合形貌的復合正極活性材料，該特殊成分以及原位填充富的復合形貌的復合材料具有良好的導電性、優異的多硫化物電催化降解性能，能夠有效提升鋰硫電池的比容量、循環性能和倍率性能。

本發明所述的復合正極活性材料，含碳量低、孔隙率適中，高導電基底材料硒化釩在鋰硫電池充放電區間能夠通過自身插層反應貢獻出一部分容量，改變傳統宿主材料無電化學活性的特點。同時，硒化釩能夠高效吸附多硫化物并催化多硫化物的轉化。協同多孔碳基底材料，發揮出優異的電化學性能。

作為優選，多孔碳具有蜂窩結構，其內部由薄壁且部分貫通形成通孔結構的模板刻蝕孔結構構成，所述的模板刻蝕孔為孔徑50～500nm；優選為均勻孔；進一步優選，形成模板刻蝕孔的模板的粒徑偏差≤3％。也即是，用于制備所述模板刻蝕孔的模板的粒徑為50～500nm的均勻顆粒(顆粒之間的粒徑偏差小于或等于3％)。研究發現，所述的均勻孔、配合所述的均勻孔互通結構，有助于進一步改善材料的性能。