[發(fā)明專利]高活性物質(zhì)含量的鋰硫電池正極復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010159041.0
• 申請(qǐng)日: 2020-03-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111354931A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 艾果;毛文峰;王金;許子佳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 天津創(chuàng)智天誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 12214
• 代理人: 李蕊

本發(fā)明公開(kāi)了一種高活性物質(zhì)含量的鋰硫電池正極及其制備方法和應(yīng)用，制備方法包括以下步驟：將過(guò)渡金屬源均勻分散在基液中，再加入硫源于50～60℃加熱至硫源溶解，得到溶液A，將溶液A與液體B混合至均勻，得到懸浮液C；將懸浮液C于120～220℃反應(yīng)10～20h，抽濾，洗滌，烘干，得到固體粉末為鋰硫電池正極復(fù)合材料。將鋰硫電池正極復(fù)合材料和單質(zhì)硫混合，再加入碳納米管分散液作為導(dǎo)電添加劑，混合均勻，得到漿料，將漿料涂敷于鋁箔上，烘干，得到極片。本發(fā)明可以率先實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)含量高達(dá)90％的鋰硫電池，遠(yuǎn)超于現(xiàn)階段所有的鋰硫電池，并接近商用鋰離子電池的活性物質(zhì)含量，由此極大的提高了鋰硫體系的比能量密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種高活性物質(zhì)含量的鋰硫電池正極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著人類的發(fā)展和科技的進(jìn)步，環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重，迫切需要高能量密度、安全、經(jīng)濟(jì)的高效儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)滿足人們對(duì)于新能源的需求。鋰硫電池具有超級(jí)高的理論能量密度(2500Wh·kg^-1)，是傳統(tǒng)鋰離子電池(250Wh·kg^-1)的10倍，成為最有潛力的新一代儲(chǔ)能體系。

然而，鋰硫電池在發(fā)展過(guò)程中面臨著許多挑戰(zhàn)：電池在充放電過(guò)程中多硫化物(LiPSs)溶解及穿梭效應(yīng)，會(huì)造成活性物質(zhì)不可逆的損失，導(dǎo)致硫利用率大大降低；由于活性物質(zhì)硫在反應(yīng)過(guò)程中溶解又析出，導(dǎo)致極片體積膨脹，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)壽命。從應(yīng)用角度，現(xiàn)階段多部分研究成果中硫正極的載量較低(5mg·cm^-2)，非活性物質(zhì)占過(guò)大(≥30％)，電解液添加量過(guò)多(≥10μL mg^-1)，并且匹配的鋰金屬負(fù)極容量過(guò)大，極大的限制了鋰硫電池高能量密度的實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，人們進(jìn)行了大量的探索。有研究者使用多孔碳質(zhì)材料，例如多孔碳、碳納米管、石墨烯材料等來(lái)提供導(dǎo)電框架，約束多硫化物，這種結(jié)構(gòu)有利于提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率，緩解硫在充放電過(guò)程中的體積變化，并且物理吸附反應(yīng)過(guò)程中生成的多硫化物，利用氧化物、硫化物、氮化物等為催化劑進(jìn)行反應(yīng)界面調(diào)控，抑制多硫化物的流失，減緩其穿梭效應(yīng)。然而，這些體系中采用的導(dǎo)電炭黑及催化劑均不具有電化學(xué)活性，會(huì)增加體系中非活性物質(zhì)比例(通常非活性物質(zhì)占比≥30％)，導(dǎo)致電池實(shí)際能量密度低，不利于高比能量電池的實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種高活性物質(zhì)含量的鋰硫電池正極復(fù)合材料的制備方法。該制備方法利用自身比容量較高的(VS₄，CoS₂等)同時(shí)作為活性物質(zhì)、催化劑及導(dǎo)電基體構(gòu)建鋰硫電池的正極。鋰硫電池正極復(fù)合材料導(dǎo)電性好，在鋰硫電池工作的電壓區(qū)間(1.5～2.7V)內(nèi)，自身具有較高的可逆循環(huán)容量、體積變化率低、無(wú)可溶性中間產(chǎn)物生成，且循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良和倍率性能較好，更重要的是，這些金屬硫化物可以通過(guò)物理吸附、化學(xué)催化等多方面與多硫化物作用，促進(jìn)鋰硫電池核心反應(yīng)機(jī)制，抑制穿梭效應(yīng)，提高活性物質(zhì)利用率，提高電池的綜合性能。

本發(fā)明的另一目的是提供基于鋰硫電池正極復(fù)合材料制備極片的方法，該極片利用碳納米管作為導(dǎo)電骨架，并替代粘合劑，可以實(shí)現(xiàn)高負(fù)載量(5mg·cm^-2)、高比例活性物質(zhì)(～90％)的高性能鋰硫電池。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的。

一種高活性物質(zhì)含量的鋰硫電池正極復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將過(guò)渡金屬源均勻分散在基液中，再加入硫源于50～60℃加熱至硫源溶解，得到溶液A，其中，所述過(guò)渡金屬源為釩源或鈷源，按物質(zhì)的量計(jì)，所述過(guò)渡金屬源中釩元素或鈷元素與所述硫源中硫元素的比為1：(5～40)；

在所述步驟1)中，所述溶液A中硫元素的濃度為42～178mg·ml^-1。

在所述步驟1)中，所述硫源包括硫代乙酰胺和/或硫脲。