[發明專利]一種鋰硫電池正極異質結材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110312520.6
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113066953B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 王新;李業寶
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/1391;H01M4/36;H01M4/1397
• 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異質結材料的制備方法。該種鋰硫電池正極異質結材料的制備方法，包括以下步驟：(1)配置溶液A；(2)配置溶液B；(3)制備四氧化三鐵前驅體；(4)制備四氧化三鐵；(5)制備Fe₃O₄/Fe₂N異質結材料。通過該方法制備得到的為Fe₃O₄/Fe₂N異質結材料，具有較穩定的循環壽命和倍率性，提高了電池的比容量。

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異質結材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池具有較高的理論比容量(1675mAh/g)和較高能量密度(2500Wh/kg)，通常利用硫單質(S₈)作為鋰硫電池的正極材料，鋰金屬為負極材料組成全電池，擁有較穩定的平均放電電壓平臺(2.15V)。同時由于硫單質具有來源豐富、環保等優勢受到研究者們的關注。但是目前阻礙其商業化發展的重要原因是鋰硫電池實際比容量與能量密度較難達到理論值，并且循環穩定性比較差、導電率較低導致硫正極材料利用率低，S₈與Li₂S也會伴隨著充放電過程而體積膨脹，同時S₈在放電過程中會不斷產生不溶性的Li₂S₂、Li₂S和其他溶解性的多硫化鋰(LiPS)，正是因為如此使得其在隔膜附近自由遷移，降低了活性物質的利用率。針對這些問題，目前研究者會嘗試利用具有框架架構的過渡金屬化合物作為硫單質的載體，運用到鋰硫電池上可以有效的改善上述提到的由于放電過程產生的中間產物造成比容量低、循環穩定性差等問題，通常包括過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物、過渡金屬氮化物及過渡金屬氫氧化物等其他化合物。

過渡金屬氧化物一般具有強極性，可以與其他基團形成較強的化學鍵，或者可以使過渡金屬離子與硫形成較穩定的配合物(MS_x)，可以有效地將多硫化物限制住，如TiO₂、MnO、Co₃O₄、Fe₃O₄、V₂O₅等，在作為鋰硫電池正極材料的應用中，過渡金屬氧化物不僅對LiPS有較好的吸附作用，而且可以幫助多硫化鋰向高導電碳基質轉送，使得電化學轉化更加完全，也可以使不溶性的Li₂S₂、Li₂S在復合材料表面上可控生長避免Li₂S的團聚而失去電活性。通常過渡金屬氮化物容易與LiPS形成N—S鍵，使得具有強烈的化學相互作用，由于這極強的化學親和力從而抑制了LiPS的穿梭，某過渡金屬些氮化物有較好的硬度以及金屬導電性，其牢固的結構可以有效承受體積膨脹問題，如TiN、VN、NbN、Co₄N、Fe₂N等。過渡金屬氮化物中的N原子中的孤對電子作為導電路易斯堿“催化劑”基質，可以增強LiPS對鋰原子的吸附能力，促進LiPS的氧化還原過程，從而使得在鋰硫電池的應用中有很好的電催化性及良好的電化學穩定性。

為了使各類材料各自的優勢相互補給，開發具有高效電催化活性、高電化學性能、高多硫化鋰吸附能力的正極材料，是抑制多硫化物穿梭、促進其轉化的一種有效方法。通常采用化學可控的方法將兩種或者多種類型的材料合成復合材料，其中異質結結構材料的制備手法大致包括電化學沉積、化學氣相沉積、化學水浴法等，可以在原有固體納米材料上生長同型或異型的材料。然而化學水浴法一般是在基礎材料上生長同型或者異形材料的方法，通過在特定溶液里浸泡基礎材料，在其表面生長理得到最終材料。通過這種方法得到的異質結材料往往會隨著沉積而使原有形貌發生微小的改變，而且沉積上去的材料往往會因為浸泡液濃度發生改變而導致不均勻。另外化學水浴法只適用于低溫物質反應(水沸點100℃)，對于一些需要高溫條件方可形成的反應制備的材料，化學水浴法無法滿足。電化學沉積是利用外加電場作用下通過電解質溶液中正負離子的遷移而在電極上發生氧化還原反應形成鍍層的，對于粉末材料很難實現，通過制電極片后再電化學沉積的方式產量較小。