[發明專利]一種過渡金屬基鋰硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010600842.6
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111653786B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 李君濤;陳健德;周堯;黃令;孫世剛
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/36;H01M4/38;H01M10/052
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

一種過渡金屬基鋰硫電池正極材料及其制備方法，涉及鋰硫電池正極材料領域。所述過渡金屬基鋰硫電池正極材料具有單層或多層碳基框架，碳基框架上負載有鎳鈷合金、鎳鈷磷化物或鎳鈷硫化物等。先設計合成了乙酸鎳鈷納米晶體，隨后通過選用不同有機分子配體如單寧酸、植酸等的原位溶解?沉淀反應，合成了一系列的中空材料類似物，經過惰性氣氛碳化后，分別得到了碳載金屬、碳載金屬磷化物等，經過熱熔注入單質硫，硫能夠被正極材料包覆，載硫后分別測試了單層或雙層中空材料在鋰硫電池中的性能表現。制備的過渡金屬基中空復合正極材料具有高載硫量、高比容量、循環穩定性好的優勢，在儲能設施、便攜式電源、新能源汽車等領域具有廣闊前景。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極材料領域，具體是涉及一種過渡金屬基鋰硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術

隨著全球經發展水平的不斷提高，能源需求持續增長，進一步刺激了煤炭、石油等傳統化石燃料的開采與消耗。開發綠色清潔和高效安全的可再生能源技術迫在眉睫，然而以太陽能、風能為代表的可再生能源受制于時間與空間分布不均衡，必須通過能源轉化與存儲裝置來加以利用。鋰二次電池因其具有高能量密度、高功率密度、高工作電壓和較長的循環壽命，迅速發展且應用廣泛，已經在手機、筆記本電腦等移動電子產品上取得巨大成功，并且正快速取代汽柴油成為機動車綠色動力來源。

隨著社會發展水平不斷提高，現有的鋰離子電池逐漸不能滿足社會的需要，商業化的鋰離子電池其能量密度已經接近理論極限，從原理上來說已經達到瓶頸，消費類電子產品輕薄化的趨勢以及電動汽車對長續航里程的迫切需求，使得發展高能量密度、高循環壽命的新一代鋰電池已經成為全行業不斷追求的目標。電池系統中，電極活性材料決定了電池的工作電壓、質量/體積比容量，也決定了電池能量密度的上限，因此，新一代高能量密度電池體系的關鍵在于電極活性材料的研發。以當前常用的三元鋰電池為例，其能量密度已經接近理論極限，很難超過350Wh kg^-1，要達到500Wh kg^-1以上電池，需要新的電池體系，其中硫作為正極其理論比容量可達2600Wh kg^-1，且價格非常低，與傳統三元正極相比低了一百多倍。

然而，硫的導電性較差，且在充放電過程中，硫和硫化鋰產生約80％的體積變化，以及中間物質多硫化物溶于電解液引起穿梭效應，導致鋰硫電池實際比容量和庫倫效率較低，循環穩定性差，嚴重阻礙產業化應用進程。

發明內容

本發明的目的在于提供可解決現有技術上述問題，具有高載硫量、高比容量、循環穩定性好等優點的一種過渡金屬基鋰硫電池正極材料及其制備方法。

所述過渡金屬基鋰硫電池正極材料具有單層或多層碳基框架，碳基框架上負載有鎳鈷合金、鎳鈷磷化物或鎳鈷硫化物等。

所述過渡金屬基鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)合成Ni-Co乙酸鹽晶體：先合成Ni-Co乙酸鹽棱柱狀晶體，將聚乙烯吡咯烷酮溶解于無水乙醇中，再將乙酸鎳、乙酸鈷加入并超聲溶解，溶液轉移至容器中，在油浴條件下加熱反應，冷卻后通過高速離心分離固體產物，用無水乙醇清洗，干燥后得到Ni-Co乙酸鹽晶體；

2)制備過渡金屬基鋰硫電池正極材料：將步驟1)制備的Ni-Co乙酸鹽晶體配置為無水乙醇分散液，加入有機配體水溶液反應，分離并收集固體產物，用無水乙醇反復清洗；將產物再次分散在無水乙醇中，加入植酸水溶液反應，分離固體產物，用無水乙醇反復清洗，再用去離子水洗去剩余未轉化Ni-Co乙酸鹽晶體，再次用無水乙醇反復清洗，干燥后將所得固體粉末煅燒，隨爐冷卻，得到黑色粉末C-Ni₂CoP@C-Ni₂Co，即為所述過渡金屬基鋰硫電池正極材料。