[發明專利]一種鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料及其載硫正極活性材料的制備和應用

有效

• 申請號: 202010049663.8
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111217355B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 張治安;鄭景強;賴延清;王濤勝;覃富榮;洪波;張凱;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/02
• 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

本發明涉及鋰硫電池材料領域，具體提供了一種鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料，其為由若干模板刻蝕孔構成的具有通孔結構的多孔碳；且所述的多孔碳的碳骨架為硫雜化的無序化碳；且所述的碳骨架中原位彌散分布有活性顆粒；所述的活性顆粒包含石墨化碳以及原位鑲嵌在其中的鐵硫化物。本發明還提供了所述的材料的制備和在鋰硫電池中的應用。本發明所述的材料在鋰硫電池中具有良好的比容量、倍率和循環性能。

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

在儲能設備中，鋰硫電池因其理論能量密度高(2600Wh/kg)，且正極材料活性物質成本低且環保，是下一代電池的較有希望的候選者。盡管鋰硫電池具有這些優點，但在商業化過程中仍面臨許多挑戰，如硫的導電性差，正極活性物質在充放電過程中體積變化大(80%)，反應動力學慢。充放電過程產生的多硫化物溶解在電解液中，在無約束無吸附無催化轉化的環境下會大量地從正極穿梭到負極，在負極側形成短鏈的固相Li2S2/ Li2S。這導致活性材料的持續損耗，電極鈍化，庫侖效率低，因此被認為是限制鋰電池實際使用的關鍵問題之一。人們做了許多努力來解決穿梭效應，引入催化劑加速多硫化物的吸附轉化。

普通的碳材料表面通常是非極性的，這導致它們對極性多硫化物的親和力相對較低，這將不利于限制多硫化物的穿梭。為此包括過渡金屬氧化物、硫化物和碳化物在內的納米無機化合物與多硫化物具有很強的化學親和力，能更有效地阻斷多硫化物的擴散，同時這些納米無機化合物能夠有效的催化多硫化物的轉化。金屬硫化物如硫化鐵等由于其較高的導電性及較強多硫化物吸附力，被諸多研究者用來改善鋰硫正極性能。其中富含的目前，在使用金屬硫化物來改善鋰硫正極性能方面，普遍存在制備工藝復雜，硫化鐵比表面積較小即載硫量較低等問題。

現有技術已報道用于鋰硫電池的硫化鐵的制備方法但其所獲得的硫化鐵為微米級，比表面積過小，與碳基底非原位結合。充放電過程中反應界面不足，導致電池極片中硫載量過低，同時采用石墨烯、碳納米管作為碳基底成本高昂，不利于鋰硫電池的實用化推廣。

發明內容

為克服上述現有技術的不足之處，本發明第一目的在于提供一種鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料（本發明也簡稱為前驅體材料），旨在提供一種可適用于鋰硫電池，改善鋰硫電池電學性能的材料。

本發明第二目的在于，提供一種鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料的制備方法。

本發明第三目的在于，提供一種在所述的鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料中載硫得到的鋰硫電池正極活性材料。

本發明第四目的在于，提供一種所述的鋰硫電池正極活性材料的制備方法。

本發明第五目的在于，提供一種所述的復合正極活性材料在鋰硫電池中的應用。

本發明第六目的在于，提供一種添加有所述的復合正極活性材料的鋰硫電池。

一種鐵硫化物@硫雜化多孔碳正極前驅體材料，為由若干模板刻蝕孔構成的具有通孔結構的多孔碳；且所述的多孔碳的碳骨架為硫雜化的無序化碳；且所述的碳骨架中原位彌散分布有活性顆粒；所述的活性顆粒包含石墨化碳以及原位鑲嵌在其中的鐵硫化物。

本發明所述的特殊成分以及特殊原位形貌的前驅體材料，將其載硫后用作鋰硫電池中能夠表現出優異的導電性、多硫化物催化性，能夠表現出優異的容量、倍率以及循環性能。