[發明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010737915.6
• 申請日: 2020-07-28
• 公開（公告）號: CN111900384B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發明（設計）人: 張永光;宋彩玲
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052
• 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

本發明屬于鋰硫電池的技術領域，具體的涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。該正極材料為鐵氧體/碳/硫復合材料。形狀和尺寸高度均勻一致的鐵氧體納米晶均勻分布在碳基體上，形成高度有序的二維納米立方體陣列，均勻性好，暴露出更多的活性位點，提高了傳質速率，促進了多硫化物的轉化。所述制備方法操作簡單容易、有效，易于實現鐵氧體/碳/硫復合材料的大規模生產和低成本工業化。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池的技術領域，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

隨著便攜式電子設備和電動汽車的快速發展，對儲能設備的需求也隨之迅猛增長，尤其高性能的充電電池。在各種可充電電池中，鋰離子電池以其優異的能量和功率密度性能得到廣泛的應用，然而即使目前鋰離子電池的比容量已接近其理論比容量300mAh·g^-1，仍然無法滿足人類生產生活日益增長的能源需求。因此尋求一種能量密度更高、質量更輕、體積更小和循環壽命更長的儲能材料成為近期研究的熱點之一。

近年來以單質硫為電池正極，以金屬鋰為電池負極材料的鋰硫電池備受國內外研究人員的關注。單質硫作為鋰硫電池正極時具有1675mAh·g^-1的高理論比容量，作為儲能材料具有巨大潛力。雖然鋰硫電池有諸多優勢，但仍存在一些缺點：(1)單質硫以及中間產物的導電性差。在常溫下單質硫為絕緣的，其電子導電率僅為5×10^-30S/cm，且電池在充放電過程的中間產物多硫化物不導電，鋰離子在正負極遷移速率小，實用效率低；(2)由于反應過程中物質的密度發生變化，產生體積膨脹效應；(3)由于多硫化鋰的溶解會造成穿梭效應，穿梭效應使電池內部材料逐漸失效，電池性能進一步惡化，造成電池的容量快速衰減。現今鋰硫電池存在的上述問題嚴重限制了其比容量、循環壽命以及循環穩定性等性能的提升。若解決這些相互關聯的問題，開發新型鋰硫電池正極材料、提高電極材料中活性物質的利用率至關重要。

針對鋰硫電池存在的諸多問題，構建高孔隙率的碳負載硫復合材料則認為是一種很有前景的策略。由于碳能夠提供電子通道和中空結構，從而可以快速地捕獲多硫化物，因此碳/硫復合材料延長了鋰硫電池的循環壽命。構建碳/硫復合材料可以顯著提高硫正極的導電性和結構穩定性，但由于非極性碳基質對極性多硫化物的物理吸附能力較弱，仍不能克服反應性多硫化物中間體無休止的溶解和穿梭現象。因此最有希望抑制穿梭的方法是促進多硫化鋰轉變為固體Li₂S₂/Li₂S，以減少其在電解質中的溶解。研究表明，一些極性主體，如金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和一些無金屬材料，不僅對多硫化鋰具有很強的親和力，而且還能催化多硫化鋰轉化為Li₂S₂/Li₂S，為改善鋰硫電池存在的問題提供了一條有效途徑；此外碳良好的導電性可以彌補金屬氧化物的低導電性。雖然近年來人們研究了幾種制備金屬-氧化物/碳納米復合材料及其制備方法，但所得復合材料的均勻性較差，并且生產過程復雜、生產率較低。

發明內容

本發明的目的在于針對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，該正極材料為具有二維納米立方體陣列結構的鐵氧體/碳/硫復合材料。形狀和尺寸高度均勻一致的鐵氧體納米晶均勻分布在碳基體上，形成高度有序的二維納米立方體陣列，均勻性好，暴露出更多的活性位點，提高了傳質速率，促進了多硫化物的轉化。所述制備方法操作簡單容易、有效，易于實現鐵氧體/碳/硫復合材料的大規模生產和低成本工業化。

本發明的技術方案為：一種鋰硫電池正極材料為鐵氧體/碳/硫復合材料。

所述鐵氧體/碳/硫復合材料為二維納米立方體陣列結構。

所述鋰硫電池正極材料的制備方法，首先制備自組裝鐵氧體/碳納米片；然后將制備所得的鐵氧體/碳納米片與納米硫混合研磨后進行水熱反應，即得鐵氧體/碳/硫復合材料。

所述鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：