[發明專利]一種膨潤土基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202011434468.3
• 申請日: 2020-12-10
• 公開（公告）號: CN112635726B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 吳煉;龐浩;張俊杰;文明通;洪培萍;麥裕良;文武;廖兵
• 申請（專利權）人: 廣東省科學院化工研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/052;C01B33/40;C01G51/00;C01B17/10;C01G3/12;C01G49/12;C01G53/11;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 慶之

本發明公開一種膨潤土基復合材料及其制備方法和應用，所述膨潤土基復合材料包括膨潤土載體，及插入所述膨潤土載體層間的納米過渡金屬硫化物和硫。其制備方法為：將膨潤土載體與過渡金屬離子溶液混合，進行陽離子交換，得到過渡金屬離子化的膨潤土層狀材料；然后與含硫化合物進行反應，得到納米過渡金屬硫化物插層的膨潤土層狀材料；最后與硫混合，反應得到膨潤土基復合材料。本發明的膨潤土基復合材料實現了膨潤土對多硫化鋰的吸附性能與過渡金屬硫化物的催化性能的有機結合，有效強化了多硫化鋰的吸附?轉化過程，極大地抑制了穿梭效應，提高了鋰硫電池正極活性物質硫的利用率，從而提高鋰硫電池正極材料的放電容量和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池電極材料技術領域，尤其涉及一種膨潤土基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰硫電池由于具有極高的理論能量密度(2600Wh/kg)，且硫資源豐富、價格低廉、環境友好，因而被認為是最具潛力的高能量密度二次電池體系之一。但是鋰硫電池存在的硫單質和放電終產物不導電、多硫化鋰(LiPS)的“穿梭效應”等關鍵技術問題極大地阻礙了其產業化應用。近年來，人們為了解決上述技術問題設計了許多不同種類的鋰硫電池正極載體材料，主要包括介孔/微孔碳、碳納米管、石墨烯等碳材料，金屬氧/硫/氮化物，MOFs以及MXene等等，用于提高鋰硫電池的性能。但是這些載體材料大都存在成本較高，制備工藝復雜，難以實現大規模工業化生產等問題。最近幾年，天然粘土礦物材料，如膨潤土(蒙脫石)、埃洛石、蛭石等，因具有特殊的晶體結構，以及良好的陽離子交換性能、吸附性能、熱穩定性、化學穩定性和機械穩定性，而且廉價易得，環境友好，而被越來越多地用作鋰硫電池硫正極的載體材料，特別是膨潤土及改性膨潤土材料在鋰硫電池正極材料中的應用最多。

中國專利CN104183836A公開了一種鋰硫電池正極復合材料，該材料包含以下重量份數的組分：膨潤土4份、單質硫3～6份。但該復合材料的組分膨潤土與硫單質均不導電，因此難以應用于高性能鋰硫電池中。Chen Wei等(Chen,W.；Lei,T.；Lv,W.；Hu,Y.；Yan,Y.；Jiao,Y.；He,W.；Li,Z.；Yan,C.；Xiong,J.Atomic Interlamellar Ion Path in HighSulfur Content Lithium-Montmorillonite Host Enables High-Rate and StableLithium-Sulfur Battery.Advanced Materials 2018,30,1804084.)報道了一種鋰化膨潤土/硫復合鋰硫電池正極材料及其制備方法，首先通過陽離子交換法將天然鈣基膨潤土層間的陽離子置換成鋰離子制備得到鋰化膨潤土載體，然后通過簡單的熔融擴散法在鋰化膨潤土載體上負載硫單質(鋰化膨潤土與硫單質的質量比為1:4)，所制備得到的復合正極材料具有較優異的循環穩定性能和倍率性能。然而，鋰化膨潤土/硫復合正極材料同樣受限于導電性差的問題，而無法實現更高性能的鋰硫電池應用。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種膨潤土基復合材料，具有良好的導電性和吸附-催化協同作用，能夠提高鋰硫電池正極材料的放電容量和循環穩定性。

本發明還提供一種膨潤土基復合材料的制備方法和應用。

本發明采用的技術方案如下：

本發明第一方面是提供一種膨潤土基復合材料，包括膨潤土載體，及插入所述膨潤土載體層間的納米過渡金屬硫化物和硫。

所述納米過渡金屬硫化物的粒徑小于20nm。

所述納米過渡金屬硫化物包括CoS₂、CuS、FeS₂、NiS₂中的至少一種。

本發明的第二方面是提供一種膨潤土基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將膨潤土載體與過渡金屬離子溶液混合，進行陽離子交換，得到過渡金屬離子化的膨潤土層狀材料；