[發(fā)明專利]鋰硫電池的載硫材料及正極材料

有效

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• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111403702B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設計）人: 楊樹斌;張迪
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京譜帆知識產權代理有限公司 11944
• 代理人: 張慧娟;王芊雨

本發(fā)明公開了一種鋰硫電池的載硫材料及正極材料，其中該載硫材料為具有二維片層結構的MXene材料，其化學通式用Mn+1Xn表示，其中M指過渡族金屬元素，X指C和/或N元素，n為1至3，其中，所述二維片層結構中具有單原子分散的摻雜原子，所述摻雜原子具有促進硫的多相轉化反應的電催化活性。本發(fā)明的載硫材料屬于新型催化材料，能夠明顯的提高鋰硫電池的循環(huán)和倍率性能，對于鋰硫電池的進一步商業(yè)化具有重要的意義。

技術領域

本發(fā)明涉及能源存儲領域，更具體地涉及一種含有單原子分散的摻雜原子的鋰硫電池的載硫材料及正極材料。

背景技術

鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池，它的反應機理不同于鋰離子電池的離子脫嵌機理，而是電化學機理。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到 1675 mAh g^-1和 2600 Wh kg^-1，遠遠高于商業(yè)上廣泛應用的鋰離子電池的容量。并且，單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環(huán)境友好等特點，鋰硫電池被視為下一代高能量密度電池體系的理想選擇之一，受到全世界科研界和產業(yè)界的高度關注，也是未來各國布局的重點研究方向之一。

鋰硫電池在實際應用中，其中的硫正極通常表現(xiàn)出嚴重的容量衰減和低的倍率性能，原因在于以下幾點：

（1）單質硫的電子導電性和離子導電性差，硫材料在室溫下的電導率極低(5.0×10^-30 Scm^-1)，反應的最終產物Li₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體，不利于電池的高倍率性能；

（2）硫和硫化鋰的密度分別為2.07和1.66 g cm^-3，在充放電過程中有高達79%的體積膨脹/收縮，這種膨脹會導致正極形貌和結構的改變，導致硫與導電骨架的脫離，從而造成容量的衰減；

（3）鋰硫電池的中間放電產物(可溶性多硫化物，LiPS，Li₂S_n，4 ≤ n ≤ 8)會溶解到有機電解液中，增加電解液的黏度，降低離子導電性，多硫離子能在正負極之間遷移，導致活性物質損失和電能的浪費 (穿梭效應)；

（4）硫正極的放電過程是從固態(tài)硫到可溶性多硫化物Li₂S_n和固態(tài)Li₂S（固-液-固）的多相轉化，具有低的動力學反應性。

解決前兩個問題，目前主要是通過將活性物質硫與導電的碳材料復合，如介孔碳、碳納米管、石墨烯，以改善硫正極的電導性并限制體積變化。為抑制LiPS的穿梭效應，將對LiPS具有高親和力的電極材料，如雜原子摻雜碳，過渡金屬化合物和聚合物引入到硫正極中，研究證明了它們之間強相互作用對抑制硫正極極中的可溶性LiPS非常有效。

對于硫的多相轉化反應的動力學活性較慢的問題，研究發(fā)現(xiàn)這種緩慢的動力學反應主要來自限速步驟：Li₂S₂→Li₂S，該步驟的吉布斯自由能ΔG= 0.6~1.3 eV，是其他步驟的近3~4倍（如，步驟：Li₂S₈→Li₂S₄的ΔG= 0.01~0.4 eV），為了促進限速反應的進行，目前主要在硫正極中加入各種催化劑，比如貴金屬（如Pt）、過渡金屬（如Co、Fe、Ni等）以及金屬化合物（氧化物、二硫化物和磷化物），以此來提高限速反應的反應速率。目前，對高電催化活性的催化劑的研究仍然處于起步階段，開發(fā)出具有高活性的催化劑對于提高硫正極的電化學性能，乃至鋰硫電池進一步商業(yè)化具有至關重要的意義。

發(fā)明內容