[發(fā)明專利]一種含有二茂鐵/谷胱甘肽復合物的鋰硫電池正極材料、正極極片及制備方法、鋰硫電池

在審

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• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112382758A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設計）人: 周蘇雅;聶華貴;禪丹;張永貴;孔素珍;東洋洋
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M4/13;H01M4/139;H01M10/052
• 代理公司: 溫州名創(chuàng)知識產權代理有限公司 33258
• 代理人: 朱海曉

本發(fā)明屬于電池材料領域，具體涉及一種含有二茂鐵/谷胱甘肽復合物的鋰硫電池正極材料、正極極片及制備方法、鋰硫電池。添加有二茂鐵和谷胱甘肽的復合物作為功能材料引入鋰硫電池的正極，可以有效地以物理/化學的方式吸附可溶性多硫化物,同時促進多硫化物的快速轉化，從而提高電池內的氧化還原動力學。添加二茂鐵和谷胱甘肽的鋰硫電池正極具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在高倍率下具有優(yōu)異的放電容量。

技術領域

本發(fā)明屬于電池材料領域，具體涉及一種含有二茂鐵/谷胱甘肽復合物的鋰硫電池正極材料、正極極片及制備方法、鋰硫電池。

背景技術

可充電電池是清潔能源儲存和電動車應用的關鍵技術。傳統(tǒng)的鋰離子電池在某種程度上受到其高成本和比能量的限制，在各種電化學系統(tǒng)中，鋰硫電池是鋰離子電池的一種，正極是元素硫，負極是金屬鋰，被認為是最有希望的電池設備之一是因為它的高理論比容量和自然硫豐度。然而，鋰電池的實際應用主要受到以下挑戰(zhàn)的阻礙：（1）硫及其放電產物（Li₂S₂、Li₂S）的絕緣特性，導致比容量低、電子傳遞能力差；（2）硫在鋰化后的體積膨脹大（約80%）導致電極接觸面積損耗和結構坍塌；（3）中間產物可溶性多硫化物易溶解在電解液中，在正負兩極間遷移，沉積在鋰金屬陽極上，導致容量衰減，造成臭名昭著的“穿梭效應”。正是這一原因導致了鋰硫電池容量衰減迅速，循環(huán)壽命短。

為了解決以上多硫化物“穿梭效應”問題，近些年來，人們在設計材料化學性能和電極結構兩方面做出了眾多的努力，希望能夠使鋰硫電池更快更好的投入實際應用。例如，第一代材料以多孔碳為中心，為元素硫的氧化還原反應和可溶性多硫化物的物理吸附提供了良好的電子導電襯底。然而，這些非極性碳與多硫化物的相互作用不足，孔隙體積過大，導致振實密度較低。更重要的是，這種振實度較低的電極結構往往需要較多的電解質進行浸潤，從而破壞電池的體積能量密度和面積能量密度平衡。針對以上所存在的這個問題，過渡金屬化合物，包括氧化物、硫化物、碳化物和氮化物（MX, M = Ti, Co, V, Nb;X = O, S,C, N）被用于表面吸附固定多硫化物。這種方法的有效性歸因于這些宿主材料與多硫化物之間存在的強烈化學相互作用，其中M-S或X-Li鍵已是大家都所認定的相互作用模式。非常值得一提的是，具有金屬性質的化合物對多硫化物的催化轉化是有利的，因為它們允許被吸附的多硫化物在其表面被還原/氧化，而不需要多硫化物擴散到非導電襯底。這種吸附反應機制是一種典型的電催化過程，它降低了多硫化物氧化還原反應的能量勢壘。眾多研究發(fā)現(xiàn)，使用這些過渡金屬材料大大延長了電池的使用壽命。極性截面可以有效地將鋰聚硫化物保持在陰極內，與鋰聚硫化物形成相對較強的靜電相互作用。然而，過渡金屬化合物應用于鋰硫電池也面臨兩個挑戰(zhàn)：一是強的Li-X鍵（路易斯酸堿作用）阻礙了電子直接轉移到多硫化物上，可能會延遲了Li⁺的擴散，減慢了電極的氧化還原反應動力學。此外，無機固體材料往往具有多種類型的表面位置，難以更準確的識別電極表面與其的相互作用機制，對于進一步探究和分析多硫化物的轉化機制以及加快解決阻礙鋰硫電池實際應用的問題存在一定的阻礙。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術存在的缺點和不足，而提供一種含有二茂鐵/谷胱甘肽復合物的鋰硫電池正極材料、正極極片及制備方法、鋰硫電池。

本發(fā)明提供的第一方面，一種含有二茂鐵/谷胱甘肽復合物的正極材料，包括載硫材料、二茂鐵、谷胱甘肽。

二茂鐵（Fc）一種常用的金屬有機化合物，其結構由兩個環(huán)戊二烯基（Cp）環(huán)結合在一個鐵原子上，其化學活性高于苯環(huán)更易發(fā)生親電取代反應生成二茂鐵衍生物，同時二茂鐵中的環(huán)戊二烯基具有芳香性，易于堿金屬陽離子發(fā)生cation-π相互作用。二茂鐵可以有效吸附可溶性多硫化鋰，以抑制活性物質的流失和穿梭效應在正負極之間的發(fā)生。

谷胱甘肽（GSH）是廣泛存在于生物體內的一種含有γ-肽鍵的生物活性三肽，由L-谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸組成，對可溶性中間產物多硫化物有很強的催化轉化作用。