[發(fā)明專利]一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210019024.6
• 申請(qǐng)日: 2022-01-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114497486A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳人杰;張楠祥;趙騰;馮濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/42;H01M10/052
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本發(fā)明涉及一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料及其制備方法，屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述鋰硫電池正極材料由碳材料負(fù)載鈷納米顆粒及其內(nèi)部封裝硫元素和材料外層包裹的導(dǎo)電聚合物組成，其中金屬鈷能促使充放電過(guò)程中Li₂S的形成和快速分解，保證硫的高利用率以及良好的循環(huán)穩(wěn)定性；而且納米級(jí)的鈷粒子增加了暴露的活性位點(diǎn)，進(jìn)而有效提升了催化效率；而聚吡咯導(dǎo)電聚合物包覆層在進(jìn)一步增強(qiáng)正極材料導(dǎo)電性的同時(shí)，還能抑制正極材料的體積變化，有效抑制飛梭效應(yīng)，保證鋰硫電池的高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)性。本發(fā)明中制備所述鋰硫正極材料的方法工藝簡(jiǎn)單、成本低且易于規(guī)模化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料及其制備方法，屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當(dāng)前，面對(duì)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展清潔能源替代化石能源的使用已成為全人類的共識(shí)。我國(guó)也在2021年制定了相應(yīng)的“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)。鋰二次電池是綠色可再生的能源，并且已被廣泛應(yīng)用到了電動(dòng)汽車等領(lǐng)域，但是，目前應(yīng)用的鋰離子電池的正極活性物質(zhì)多為鋰離子“脫嵌”材料，這使得其實(shí)用化質(zhì)量比能量很難達(dá)到300Wh/kg以上。為滿足當(dāng)今社會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求，迫切需要開(kāi)發(fā)高能量二次電池。由于具有高理論比能量(2600Wh/kg)、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)勢(shì)，鋰硫(Li–S)電池受到了廣泛的關(guān)注。此外鋰硫電池是一種原料廉價(jià)易得、環(huán)境友好的新型電池體系，由于其理論能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池，這使得鋰硫電池可以為各種應(yīng)用提供動(dòng)力，因此鋰硫電池也被認(rèn)為是可能取代鋰離子電池的下一代電池產(chǎn)品。然而，由于S的低電子傳導(dǎo)性(5×10^-30S·cm^-1)，Li–S電池的活性材料利用率較低，尤其是在高硫負(fù)載下，這使得鋰硫電池的應(yīng)用受到了限制。此外，復(fù)雜的反應(yīng)中間產(chǎn)物和多硫化鋰在正極和負(fù)極之間的穿梭效應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致不均勻的鋰沉積/剝離，進(jìn)而使得鋰硫電池的環(huán)性能下降。而多硫化鋰轉(zhuǎn)化反應(yīng)的高能壘特點(diǎn)也限制了其氧化還原動(dòng)力學(xué)的速率，并可能加劇穿梭效應(yīng)的發(fā)生。為解決這些問(wèn)題，商業(yè)化應(yīng)用的鋰硫電池正極應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性、豐富的孔隙、對(duì)多硫化物的強(qiáng)極性親和性以及較快的多硫化物轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)。

研究表明，利用一系列材料，如碳、金屬氧化物和聚合物等，可以捕獲可溶性中間多硫化鋰(LIPS)以保持其電化學(xué)活性。然而，由于碳對(duì)多硫化物的轉(zhuǎn)化并沒(méi)有催化作用，因此在大電流密度下，容量提高程度有限。含鈷材料如CoS₂，Co₄N和CoP，已被證明能顯著改善多硫化鋰的氧化還原動(dòng)力學(xué)。而采用多孔結(jié)構(gòu)碳材料制備的碳硫復(fù)合材料可以顯著改善硫的導(dǎo)電性，進(jìn)而提高鋰硫電池的性能，改善鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中，還普遍存在不少缺點(diǎn)：如催化劑直接暴露于電解液中，因而會(huì)導(dǎo)致不良副反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而使得電池的電化學(xué)性能不穩(wěn)定，多硫化物的穿梭效應(yīng)依舊明顯，電池循環(huán)性能較差等。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料，該材料中內(nèi)嵌在碳骨架材料中的鈷納米粒子能夠促進(jìn)Li₂S的形成和轉(zhuǎn)化，保證硫的高利用率；此外，典型的S/C結(jié)構(gòu)可以顯著提高該正極材料的導(dǎo)電性；最后，該材料典型的核殼結(jié)構(gòu)包覆效果，不僅能夠容納并限制多硫化物，有效抑制穿梭效應(yīng)，還可以儲(chǔ)存電解質(zhì)，進(jìn)而保證鋰硫電池在長(zhǎng)循環(huán)條件下的良好性能，提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、成本低、易規(guī)模化生產(chǎn)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料，所述材料由碳骨架及其負(fù)載的鈷納米顆粒、內(nèi)部填充的硫和聚吡咯包覆層組成。

所述鈷納米顆粒是通過(guò)還原鈷鹽得到的；

所述活性物質(zhì)硫是通過(guò)氧化還原反應(yīng)得到的；

所述聚吡咯包覆層是通過(guò)精確控制反應(yīng)條件制得的。