[發明專利]一種固體電解質膜包覆FeS2

在審

• 申請號: 202011068138.7
• 申請日: 2020-10-08
• 公開（公告）號: CN112397692A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 陳玉喜;黃靖
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/525;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市興科達知識產權代理有限公司 44260
• 代理人: 徐民奎

本發明涉及一種固體電解質膜包覆的FeS_2/碳正極材料的制備方法，該方法以聚乙烯吡咯烷酮、一水檸檬酸和九水硝酸鐵作為溶質，并溶解在一定量去離子水和無水乙醇的混合液中。采用噴霧裂解法將前驅體溶液噴霧，得到Fe₃O₄/碳作為前驅體，隨后通過固相硫化法得到FeS₂/碳。將FeS₂/碳作為正極材料組裝成電池，在低的電壓窗口用小的電流密度恒流充放電一定次數，在FeS₂/碳的表面形成一層固體電解質膜，得到固體電解質膜包覆的FeS₂/碳作為鋰離子電池和鈉離子電池正極材料。本發明所制備的固體電解質膜包覆的FeS₂/碳具有以下優點：1.具有優異的儲鋰性能和儲鈉性能；2.制備工藝簡便高效、成本低、環境友好、可規模化生產。

技術領域

本發明涉及一種二次電池電極材料的制備方法。本發明屬于新型功能材料領域。

背景技術

為了滿足電動汽車、便攜式電子產品和電網儲能等對高性能二次電池日益增長的需求，尋找高容量、長循環壽命和高倍率性能的電極材料成為當務之急。黃鐵礦型FeS₂作為鋰離子和鈉離子電池正極材料具有894mAh/g的比容量、價格低廉且環境友好。FeS₂作為不可充電的一次鋰電池正極材料已得到商業應用。近年來，FeS₂作為可充電二次電池正極材料的研究越來越廣泛。但是，FeS₂在首次嵌脫鋰/鈉之后會形成單質硫，進而在后續的充放電循環中可溶性多硫化物的“穿梭”導致循環壽命大大降低，嚴重影響了其產業化[(1)李宛飛等，物理化學學報，2017年，33卷1期，165-182；(2)Yujie Zhu et al.ACS Nano,2016,Vol.10,1529-1538]。此外，FeS₂在充放電過程中還存在體積變化大的問題，從而進一步導致其循環壽命降低。目前改善FeS₂充放電循環性能的主要方法是將其與碳類材料復合形成復合正極[Hong-Jie,et al,Advanced Energy Materials,2017,1700260]。但是上述策略依然難以解決多硫化物的穿梭以及體積變化所導致的循環性能降低的問題。

商業鋰離子電池中石墨負極的表面形成了一層固體電解質(Solid-electrolyteinterphase(SEI))膜，這層膜隔離了石墨和電解液的接觸，同時鋰離子可以順利通過(Pallavi Verma,et al,Electrochimica Acta,2010,Vol.55,6332-6341)。受此啟發,在FeS₂正極材料的表面通過電化學方法原位形成一層固體電解質膜可以極其有效地根除多硫化物的穿梭，因為這層膜隔離了FeS₂正極和電解液的接觸，同時又保證了鋰/鈉離子的順利通過。這層SEI膜的形成，使得FeS₂在首次充放電循環后形成的硫單質在后續的充放電循環中保持固體狀態，而不是溶解在電解液中，因為這層SEI膜有效隔絕了FeS₂正極和電解液的接觸。這種在FeS₂正極表面通過電化學方法原位制備SEI膜的方法與以往的專利和科學文獻中所提出的基于物理“限域”原理以及非極性材料與多硫化物的吸附原理來抑制多硫化物穿梭的方法完全不同(Xue Liu,et al,Advanced Materials,2017,Vol.29,1601759)，是一種嶄新的根絕多硫化物穿梭并提高循環性能的方法。這種固體電解質SEI膜包覆的FeS₂/碳同時獲得了高容量和穩定的循環性能。