[發(fā)明專利]一種鈷摻雜鈦酸鍶載硫復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2022-10-20
• 公開（公告）號: CN115498167A
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李猷;胡彬;楊允杰
• 申請（專利權(quán)）人: 華鼎國聯(lián)四川電池材料有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/58;H01M4/131;H01M4/1391;H01M10/052
• 代理公司: 北京智橋聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11560
• 代理人: 顧鵬翔

本發(fā)明涉及一種鈷摻雜鈦酸鍶載硫復(fù)合材料的制備方法，所得復(fù)合材料基于鈦酸鍶穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，豐富的大孔分布能為單質(zhì)硫提供充足的活性點(diǎn)，通過鈷納米點(diǎn)的摻入來催化轉(zhuǎn)化加速鋰硫電池電化學(xué)體系中可溶性多硫化鋰向不溶性多硫化鋰的轉(zhuǎn)化。并且所得鈷摻雜鈦酸鍶載硫復(fù)合材料，微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制備的扣式電池具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池正極材料領(lǐng)域，尤其涉及鈷摻雜鈦酸鍶載硫復(fù)合材料制備方法及其用于鋰硫電池的用途。

背景技術(shù)

鋰硫電池屬于鋰離子電池分支之一，其工作原理則是根據(jù)單質(zhì)硫和鋰離子的氧化還原反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物硫化鋰。放電過程中，鋰離子穿過隔膜與正極中的單質(zhì)硫反應(yīng)，先生成長鏈的多硫化鋰，之后長鏈多硫化鋰轉(zhuǎn)化為短鏈的多硫化鋰，最終生成固體產(chǎn)物硫化鋰，其中正極在放電過程相變過程有固相的單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化為液相的多硫化鋰，最后為固相的硫化鋰，其相變過程有固相到液相再到固相；充電過程，正極的固體硫化鋰被氧化成單質(zhì)硫，鋰離子穿過隔膜嵌入負(fù)極。

鋰硫電池雖然具有高的理論比容量以及硫資源豐富、成本低等優(yōu)勢，但是鋰硫電池充放電過程中的中間產(chǎn)物多硫化鋰易溶于電解液，最終產(chǎn)物硫化鋰不導(dǎo)電等問題一直制約著鋰硫電池的發(fā)展。研究表明，一些導(dǎo)電材料與硫復(fù)合能有效解決鋰硫電池導(dǎo)電性差的問題，比如石墨烯，碳納米管等材料；具有高比表面積，豐富空隙的金屬有機(jī)骨架材料也被廣泛用于鋰硫電池正極載硫材料。然而對多硫化鋰弱的吸附能力，使得容量快速衰減，并不是理想的硫宿主材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)出一種鋰硫電池正極材料---鈷摻雜鈦酸鍶負(fù)載硫復(fù)合材料(Co-SrTiO₃@S)的制備方法和應(yīng)用，所述的正極材料包括制備的Co-SrTiO₃和單質(zhì)硫，該材料合成方法簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)并且應(yīng)用于鋰硫電池中，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

上述鋰硫電池正極材料鈷摻雜鈦酸鍶負(fù)載硫復(fù)合材料(Co-SrTiO₃@S)的制備方法，包括如下步驟：

(1)將鍶源和鈷源加入去離子水中，攪拌至完全溶解后，向溶液中加入適量的酸，完全溶解后記為溶液A；

(2)鈦酸丁酯與冰乙酸混合均勻后，緩慢加入少量去離子水，攪拌均勻后記為溶液B；

(3)將上述配置的溶液A，緩慢滴入溶液B中，攪拌均勻后加入適量的聚乙二醇(如PEG6000)，繼續(xù)攪拌后，升高溫度加熱加速反應(yīng)，之后烘干，研磨制得粉末樣品；

(4)將第(3)步制得的粉末樣品先在氮?dú)鈿夥障蚂褵螅袚Q到氧氣氣氛下繼續(xù)煅燒，制得Co-SrTiO₃；

(5)將上述制備的Co-SrTiO₃和單質(zhì)硫混合，研磨后，轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，置換成惰性氣體后，一定溫度加熱后制得鈷摻雜鈦酸鍶負(fù)載硫復(fù)合材料(Co-SrTiO₃@S)。

進(jìn)一步的，步驟(1)中鍶源的用量與所述步驟(2)的鈦酸丁酯的摩爾比為1:1，鈷源摻雜摩爾量為鈦酸鍶的1％～5％，酸優(yōu)選為檸檬酸，其用量0.05～0.1mol/L；鍶源的來源包括但不限于碳酸鍶、硝酸鍶等；硝酸鈷的來源包括但不限于硝酸鈷、氯化鈷等。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中冰乙酸的用量控制到1～100ml。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中聚乙二醇(PEG6000)的用量與檸檬酸的質(zhì)量比為1:2，升溫溫度控制在65～85℃之間，反應(yīng)時(shí)間4～8h，最后烘干溫度控制在120～150℃。

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中氮?dú)獾臍夥樟髁靠刂圃?～10L/min，煅燒溫度控制在700～900℃，煅燒時(shí)間控制在5～9h；之后氧氣氣氛流量為5～10L/min，煅燒溫度為300～500℃，煅燒時(shí)間控制在1～5h；合成的Co-SrTiO₃中，鈷的存在形式包括但不限于四氧化三鈷，三氧化二鈷、氧化鈷和單質(zhì)鈷等。