[發(fā)明專(zhuān)利]一種鋰硫電池高吸附催化性能正極材料的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110386957.4
• 申請(qǐng)日: 2021-04-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113130879B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王新;王文娟;韋小玲
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 肇慶市華師大光電產(chǎn)業(yè)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/38
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 天津市尚文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發(fā)明屬于鋰硫電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種鋰硫電池高吸附催化性能正極材料的制備方法。該鋰硫電池高吸附催化性能正極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)制備二氧化硅球分散液：采用溶膠凝膠法；(2)制備高度均勻的酚醛樹(shù)脂乙醇溶液：采用醛酚加成反應(yīng)；(3)制備SiO₂/AAO雙模板；(4)制備Ta/CNW；(5)制備S@Ta/CNW。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種鋰硫電池高吸附催化性能正極材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展，全球人口數(shù)量的增長(zhǎng)，化石燃料的日益枯竭以及傳統(tǒng)化石能源帶來(lái)的巨大環(huán)境問(wèn)題，使得人類(lèi)對(duì)能源和可持續(xù)發(fā)展的新能源產(chǎn)生了迫切需求。新能源工業(yè)如核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，得到了高速持續(xù)的發(fā)展，由于新能源工業(yè)普遍面臨季節(jié)性、周期性等特點(diǎn)，往往需要進(jìn)行先存儲(chǔ)再分配，故能源存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展直接制約了新能源工業(yè)的發(fā)展速度。為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的挑戰(zhàn)，當(dāng)前緊要任務(wù)是開(kāi)發(fā)環(huán)保且具有較高性能的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

雖然鋰離子電池的開(kāi)發(fā)已經(jīng)十分成熟，其比能量已經(jīng)十分接近其相對(duì)應(yīng)材料的理論比能量(300mAh﹒g^-1)，但仍滿(mǎn)足不了人們對(duì)環(huán)保型和高比能量新型電池日益增長(zhǎng)的需求，尋找下一代能量密度高、環(huán)保和成本低的鋰二次電池正極材料成為急需解決的問(wèn)題。以金屬Li為負(fù)極，單質(zhì)硫作為活性正極的鋰硫電池展示出高達(dá)2600Wh﹒kg^-1的理論能量密度和高放電比容量(1675mAh﹒g^-1)，并且硫無(wú)毒、低價(jià)友好，因此該體系已經(jīng)成為下一代最具潛力廣泛應(yīng)用的二次電池之一。

鋰硫電池的工作機(jī)制不同于“脫出/嵌入”式的鋰離子電池，它主要依賴(lài)于S₈和Li進(jìn)行一系列的可逆的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成充/放電過(guò)程而提供能量。盡管具有比容量及能量密度高、環(huán)境友好、硫資源豐富等眾多優(yōu)勢(shì)，但由于其活性材料和放電產(chǎn)物本身的物理化學(xué)特點(diǎn)使得電池存在實(shí)際放電容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差、自放電嚴(yán)重以及安全性降低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約著鋰硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)。

因此鋰硫電池若廣泛應(yīng)用必須應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：(1)硫和終產(chǎn)物L(fēng)i₂S₂/Li₂S導(dǎo)電性低。室溫下活性物質(zhì)硫的電導(dǎo)率僅僅為5×10^-30S﹒cm^-1，呈絕緣特性，使得電池內(nèi)阻大大增加，導(dǎo)致活性材料的利用率和倍率性能降低。(2)多硫化物穿梭效應(yīng)。放電反應(yīng)過(guò)程中，正極產(chǎn)生的長(zhǎng)鏈多硫化物中間體Li₂S_x(4≤x≤8)易溶于常用的醚類(lèi)電解液，并由于濃度梯度力的作用，可以穿過(guò)隔膜并遷移擴(kuò)散至負(fù)極，隨后部分Li₂S_n與鋰金屬負(fù)極結(jié)合生成不溶的短鏈多硫化物L(fēng)i₂S₂/Li₂S，使得負(fù)極表面被腐蝕鈍化，阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行而降低電池庫(kù)倫效率。充電時(shí)在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，鋰負(fù)極上的短鏈多硫化物回到硫正極并在充電過(guò)程中再次被氧化成長(zhǎng)鏈多硫化物；引起鋰硫電池容量快速衰減、庫(kù)倫效率降低、嚴(yán)重自放電和循環(huán)壽命縮短等致命問(wèn)題。(3)體積膨脹。正交相環(huán)狀單質(zhì)硫的密度(2.03g﹒cm^-3)比放電終產(chǎn)物L(fēng)i₂S(1.66g﹒cm^-3)大很多，導(dǎo)致鋰硫電池在充放電過(guò)程中存在巨大的體積變化(約為80％)。造成電極結(jié)構(gòu)粉化，使得活性材料與導(dǎo)電添加劑、集流體分離，可溶性多硫化物從正極泄漏。

為了解決鋰硫電池中所存在的問(wèn)題，研究者們提出了各種策略全方位地改性鋰硫電池體系，包括設(shè)計(jì)新型正極材料，開(kāi)發(fā)新型電解液，修飾隔膜和保護(hù)鋰負(fù)極等。現(xiàn)有技術(shù)是將活性炭、有序介孔碳、多壁碳納米管以及石墨烯等與硫復(fù)合形成硫/碳復(fù)合材料，一方面，碳材料作為導(dǎo)電載體可提高硫正極的導(dǎo)電性；另一方面，將硫嵌入到碳材料孔道和孔隙中，一定程度上可防止中間產(chǎn)物多硫化物溶解在電解液中，改善循環(huán)性能。然而非極性的碳材料與極性的多硫化物僅是弱的物理相互作用，不足以徹底改善多硫化物的穿梭效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容