[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: 202110056724.8
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112786856B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 謝沖;李喜飛
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 燕肇琪

本發明公開一種鋰硫電池正極材料，包括炭骨架，炭骨架材料中均勻分布有硫納米顆粒，每個硫納米顆粒表面均勻包覆有金屬氧化物殼層。本發明還公開一種鋰硫電池正極材料的制備方法，步驟包括：步驟1，將金屬硫化物納米顆粒表面均勻包覆一層極性氧化物，得到復合納米顆粒；步驟2，以復合納米顆粒為膠體材料，采用誘導聚合凝膠法合成有復合納米顆粒均勻分布在脲醛樹脂中的微米復合球；步驟3，將微米復合球經過碳化處理后，再用氧化劑溶液進行處理，最終得到鋰硫電池正極材料。本發明不僅能提高硫的利用率，還能延長內部多硫化鋰的擴散路徑，增加其擴散難度，更有效地抑制多硫化鋰的穿梭效應。

技術領域

本發明屬于電極制備技術領域，涉及一種鋰硫電池正極材料，還涉及上述材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池具有能量密度高、成本低等優點，被認為是最具有潛力的高能量密度電池體系之一。然而，鋰硫電池的正極存在硫單質和硫化鋰的導電性差、中間產物多硫化鋰的溶解和穿梭效應、充放電過程中體積變化等問題，導致鋰硫電池仍面臨著硫利用率低、容量衰減快等挑戰。

目前的研究主要集中在將單質硫負載于具有特殊孔結構的導電宿主材料作為鋰硫電池正極材料，通過提升硫單質和硫化鋰的導電性以及對多硫化鋰的束縛作用，以此提高鋰硫電池正極材料的電化學性能。盡管將單質硫負載于納米材料中改善了鋰硫電池的電化學性能，但是單層的納米殼層對多硫化鋰的穿梭效應抑制作用有限。同時受限于納米材料較低的振實密度，電極很難獲得高的能量密度。另一方面，微米材料具有更高的振實密度，同時選用微米多孔材料作為宿主材料能延長和增加內部多硫化鋰的擴散路徑和擴散難度，可以更有效緩解多硫化鋰的穿梭效應，從而提高電極的電化學性能。然而，在載硫的過程中，大尺寸的S8分子很難均勻擴散滲透到微米宿主材料的內部，并且在擴散滲透的過程中也會破壞部分微孔結構，降低充放電過程中宿主材料對多硫化鋰的束縛作用，電極亦表現出較低的硫利用率和快速的容量衰減。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰硫電池正極材料的制備方法，解決了現有技術中存在的鋰硫電池中硫利用率低的問題。

本發明所采用的技術方案是：

一種鋰硫電池正極材料，包括炭骨架，炭骨架材料中均勻分布有硫納米顆粒，硫納米顆粒的個數不少于2，每個硫納米顆粒周圍有均勻極性氧化物殼層。

本發明的目的還在于上述正極材料的制備方法，本發明的另一技術方案是：

一種鋰硫電池正極材料的制備方法，步驟包括：

步驟1，將金屬硫化物納米顆粒表面均勻包覆一層極性氧化物，得到復合納米顆粒。

步驟2，以復合納米顆粒為膠體材料，采用誘導聚合凝膠法合成有復合納米顆粒均勻分布在脲醛樹脂中的微米復合球。

步驟3，將微米復合球經過碳化處理后，再用氧化劑溶液進行處理，最終得到鋰硫電池正極材料。

本發明的特點還在于：

若極性氧化物為SiO₂，則步驟1為：將金屬硫化物納米顆粒分散在乙醇和去離子水混合溶液中，接著依次加入濃氨水和正硅酸四乙酯，在室溫下磁力攪拌反應后，經過多次離心、水洗后得到SiO₂包覆的復合納米顆粒，金屬硫化物納米顆粒的尺寸為30～150nm。

若極性氧化物為TiO₂，步驟1為：將金屬硫化物納米顆粒均勻分散在乙醇中，接著依次加入十六胺和濃氨水，在劇烈攪拌下加入鈦酸異丙酯，在室溫在磁力攪拌反應后，經過多次離心、水洗后得到TiO₂包覆的復合納米顆，金屬硫化物納米顆粒的尺寸為30～150nm。

步驟2具體包括：

步驟2.1，將復合納米顆粒均勻分散在去離子水中，接著依次加入尿素和的甲醛溶液，緩慢攪拌反應0.5～3小時；