[發(fā)明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010736725.2
• 申請(qǐng)日: 2020-07-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111900372B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王新;王彤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 肇慶市華師大光電產(chǎn)業(yè)研究院
• 主分類號(hào): H01M4/38
• 分類號(hào): H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;B82Y40/00
• 代理公司: 天津市尚文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發(fā)明屬于鋰硫電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。該正極材料為具有介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化釩纖維與硫的復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，可以有效地減小鋰離子的擴(kuò)散路徑，為硫提供了快速的電子轉(zhuǎn)移途徑和有效的緩沖空間，顯著提高了鋰硫電池正極材料的電化學(xué)性能。所述制備方法中采用同軸電紡，簡(jiǎn)單、有效，易于實(shí)現(xiàn)介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化釩纖維的大規(guī)模生產(chǎn)和低成本工業(yè)化，具有高產(chǎn)量與工業(yè)可行性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

在電子信息和工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，制備出高比容量的電池，對(duì)電子設(shè)備以及電動(dòng) 汽車等的使用和推廣有較大的促進(jìn)作用。鋰硫電池的理論比容量是現(xiàn)有普通商業(yè)化鋰離子電 池的6倍以上，且成本低，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。鋰硫電池作為高能量密度的二次電池 系統(tǒng)以單質(zhì)硫作為正極材料，其理論比容量為1675mAh/g，并與金屬鋰作負(fù)極組成電池，其 理論能量密度達(dá)到2600Wh/kg。此外單質(zhì)硫具有低成本、儲(chǔ)量豐富和無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。

然而鋰硫電池目前仍面臨著很多技術(shù)挑戰(zhàn)，從而阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。具體存在以下問(wèn)題：

(1)鋰硫電池的放電反應(yīng)可分為兩個(gè)步驟：首先硫與鋰離子發(fā)生反應(yīng)生成多硫化鋰；然 后多硫化鋰?yán)^續(xù)與鋰離子反應(yīng)生成Li₂S。此過(guò)程的中間產(chǎn)物多硫化鋰會(huì)溶在電解液中，導(dǎo)致 電解液的粘稠度增加，造成容量損耗，降低電池的導(dǎo)電性；(2)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的多硫化 鋰可以穿過(guò)隔膜與鋰反應(yīng)，在鋰的表面產(chǎn)生無(wú)活性且不能溶解的硫化鋰層，這一現(xiàn)象稱為“穿 梭效應(yīng)”。“穿梭效應(yīng)”引起鋰硫電池體積發(fā)生顯著變化，嚴(yán)重影響了正極的結(jié)構(gòu)和循環(huán)穩(wěn) 定性；(3)硫的導(dǎo)電性非常差，而且充放電過(guò)程中硫的體積變化會(huì)影響電池的穩(wěn)定性；(4) 硫與鋰反應(yīng)使得電池體積變大，生成的產(chǎn)物硫化鋰會(huì)因?yàn)轶w積變化而發(fā)生粉碎，導(dǎo)致后續(xù)充 放電循環(huán)中，越來(lái)越多的硫與載體脫離，造成電池容量下降。因此硫正極存在的問(wèn)題嚴(yán)重影 響了鋰硫電池的電化學(xué)性能。同時(shí)作為負(fù)極的金屬鋰也會(huì)產(chǎn)生一些不良效應(yīng)，電解液會(huì)在鋰 的表面被還原，生成固體電解質(zhì)界面膜，導(dǎo)致容量降低，能量輸出低，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)消耗更 多的鋰；此外鋰的活性很高，在充放電過(guò)程中可能產(chǎn)生枝晶，導(dǎo)致電池短路。

因此亟待解決上述問(wèn)題，以加快鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在的缺陷而提供一種鋰硫電池正極材料及其制備方法，該 正極材料為具有介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化釩纖維與硫的復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有 獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，可以有效地減小鋰離子的擴(kuò)散路徑，為硫提供了快速的 電子轉(zhuǎn)移途徑和有效的緩沖空間，顯著提高了鋰硫電池正極材料的電化學(xué)性能。所述制備方 法中采用同軸電紡，簡(jiǎn)單、有效，易于實(shí)現(xiàn)介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化釩纖維的大規(guī) 模生產(chǎn)和低成本工業(yè)化，具有高產(chǎn)量與工業(yè)可行性。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種鋰硫電池正極材料為具有介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化 釩纖維與硫的復(fù)合材料。

所述鋰硫電池正極材料的制備方法，首先通過(guò)同軸電紡制備核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮 化釩纖維；然后制備介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化鈦/氮化釩纖維；最后將介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸 氮化鈦/氮化釩纖維與納米硫混合研磨后進(jìn)行水熱反應(yīng)，即得具有介孔核殼結(jié)構(gòu)的同軸氮化 鈦/氮化釩纖維與硫的復(fù)合材料。

所述鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備二氧化鈦前驅(qū)體溶膠：將PVP粉末加入至異丙醇和鈦酸四丁酯的混合溶液中， 在室溫下攪拌6～12h，制得均勻的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；

(2)制備五氧化二釩前驅(qū)體溶膠：首先將PVP粉末加入至乙二醇和無(wú)水乙醇的混合溶液 中，在室溫下攪拌6～12h；然后向混合溶液中加入乙酰丙酮釩(III)，并在50～80℃下攪拌 10～60min，自然冷卻至室溫，制得均勻的五氧化二釩前驅(qū)體溶膠；