[發明專利]一種高比容量的鈉硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010126186.0
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN111370696B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 張永光;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: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M10/39
• 代理公司: 天津市尚文知識產權代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發明屬于鈉硫電池的技術領域，具體的涉及一種高比容量的鈉硫電池正極材料及其制備方法。該正極材料為硫?氧化鈷鐵復合材料，其中氧化鈷鐵具有海膽狀空心球結構。該正極材料在高電流密度下獲得更高的比容量，材料的機械性能良好，擁有良好的循環壽命。所述制備方法利用水熱法一步引入雙金屬元素，簡化了實驗步驟。

技術領域

本發明屬于鈉硫電池的技術領域，具體的涉及一種高比容量的鈉硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術

當今世界的主要能源由石油、天然氣、煤、核能以及可再生能源組成，其中可再生能源包括地熱能，太陽能，風能，生物質能，水力發電等。而隨著人們對能源需求的不斷增加，開采能源造成的環境問題也日益嚴重，因此如何發展可再生能源的生產，運輸，轉化與存儲，成為一個迫切需要解決的全球性難題。

眾所周知，當前能源存儲應用最廣泛的莫過于鋰離子電池，但是傳統鋰離子電池由于其理論能量密度約為387Wh﹒kg^-1，限制了其在動力交通工具及純電動交通工具等領域的廣泛應用。現有鋰硫電池因硫的理論能量密度高達2500Wh﹒kg^-1，理論比容量高達1675mAh﹒g^-1，受到廣泛關注，并且硫具有成本低，無毒，安全性好等優點。但是由于鋰元素在地殼中的匱乏，只占約0.0065％，價格昂貴，而鈉元素卻占約2.64％，鈉的電極電勢為-2.71V略高于鋰的-3.02V，安全性更好一些，并且鈉與鋰處于同一主族，電化學性質相似，所以嘗試采用鈉代替鋰構造出鈉硫電池。

然而由于金屬鈉比鋰更加活潑，所以鈉硫電池面臨的挑戰比鋰硫電池更多，特別是在硫活性材料的利用率和循環期間容量保持方面。與鋰硫電池類似，鈉硫電池在使用液態電解液時，由于硫的絕緣性，多硫化物易溶于電解液而導致穿梭效應及體積膨脹等問題，導致硫的利用率低、循環性能差，進而嚴重影響了鈉硫電池的電化學性能。

根據當前鈉硫電池內在的充放電機理，現有技術采用將碳材料與硫復合實現提高硫反應的目的。根據碳的結構和功能將現有硫碳復合材料分為三類：(1)硫-微孔碳復合材料；(2)硫-分級多孔碳復合材料；(3)硫改性碳復合材料。硫-微孔碳復合材料在鈉硫電池中表現出良好的性能，但由于微孔結構的孔容有限，該種復合材料中的硫含量通常不到40％，導致整個電池的總能量密度較低。

目前鈉硫電池正極材料在電池運行過程中只利用S和Na₂S₄之間的可逆轉換，相應的容量利用率為25％，即418mAh﹒g^-1。雖然系統具有較高的初始容量，但穩定的可逆容量通常較低，而且硫含量/負載量較低，正極材料中的硫含量以及面積質量負載量對最終電池的整體能量密度均重要。因此導致目前鈉硫電池在容量利用率和長期循環方面的性能仍不理想。

發明內容

本發明的目的在于針對現有鈉硫電池正極材料存在載硫量低、穿梭效應明顯以及循環穩定性差的問題而提供一種高比容量的鈉硫電池正極材料及其制備方法，該正極材料在高電流密度下獲得更高的比容量，材料的機械性能良好，擁有良好的循環壽命。所述制備方法利用水熱法一步引入雙金屬元素，簡化了實驗步驟。

本發明的技術方案為：一種高比容量的鈉硫電池正極材料為硫-氧化鈷鐵復合材料，其中氧化鈷鐵具有海膽狀空心球結構。

所述高比容量鈉硫電池正極材料的制備方法，首先通過水熱法制備具有海膽狀空心球結構的氧化鈷鐵；然后采用球磨和熱融法將氧化鈷鐵摻硫制備硫-氧化鈷鐵復合材料。

所述高比容量鈉硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備具有海膽狀空心球結構的氧化鈷鐵：首先將葡萄糖、硝酸鈷和硝酸鐵溶解于去離子水后，置于反應釜中進行水熱反應，反應完成后隨室溫冷卻，得到懸浮液；然后將所得懸浮液離心收集產物并洗滌、干燥，得到氧化鈷鐵粉末備用；最后將所得氧化鈷鐵粉末置于馬弗爐中熱處理后隨室溫冷卻，即得具有海膽狀空心球結構的氧化鈷鐵；