[發明專利]一種基于硫/硒陽離子反應的高電壓鋁-硫/硒電池

在審

• 申請號: 202310267884.6
• 申請日: 2023-03-14
• 公開（公告）號: CN116314768A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 尉海軍;李帥霞;張旭;楚維欽
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/36;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種基于硫/硒陽離子反應的高電壓鋁?硫/硒電池，屬于鋁離子電池技術領域。實現硫/硒陽離子氧化/還原反應的高電壓鋁?硫/硒電池，包括以下技術方案：(1)鋁?硫/硒電池結構依次包括SeS_x/C復合正極、隔膜、電解液、Al負極，其中SeS_x/C復合正極選用硫、硒單質或硫硒化合物與碳材料復合；(2)對步驟(1)所得鋁?硫/硒電池在0.1?2.5V(vs.Al³⁺/Al)之間進行可逆充放電，充放電過程中發生涉及S和Se陽離子的多電子轉移，最高放電比容量可達1700mAh?g^?1，放電電壓平臺≥1.5V(vs.Al³⁺/Al)。

技術領域

本發明涉及一種基于SeS_x復合正極活性材料，實現硫/硒陽離子氧化/還原反應的高電壓鋁-硫/硒電池，具體為鋁電池技術領域。選用硫、硒單質或硫硒化合物與碳材料復合作為正極材料，充放電過程中涉及S和Se陽離子的多電子轉移，實現高放電比容量和高電壓平臺的鋁-硫/硒電池。

背景技術

鋁比容量高、資源豐富、成本低，可充電鋁離子電池被認為是下一代能源存儲系統的理想選擇之一。但是傳統鋁離子電池正極材料面臨著比容量低的問題(如碳正極材料120mAh?g^-1和金屬化合物300mAh?g^-1)，不能滿足高能量密度的需求。硫正極因有著高的理論比容量而得到廣泛關注。但硫正極存在導電性差、體積膨脹大、轉換反應動力學慢、循環穩定性差等缺點，限制了鋁-硫電池的進一步發展。

硒作為硫族元素，也被用作電池的正極材料。硒的電導率(1.0×10^-3S?m^-1)遠高于硫(5.0×10^-28S?m^-1)。此外，硒的體積比容量高，可以有效減小電池的體積。但是硒單質單獨作為正極材料，理論比容量(675mAh?g^-1)相較于硫單質相差甚遠。因此，我們采用SeS_x化合物作為正極材料，既可以獲得相對較高的理論比容量，也可以改善正極的電導率。

一直以來，研究者們致力于提高鋁-硫電池的電壓平臺，硫陽離子參與氧化還原反應可以使鋁-硫電池的電壓平臺有很大的提升(從～0.6V到～1.75V)。但是硫很難被氧化到更高的價態，在2.4V恒壓充電時硫被氧化為低正價(如+1價)，硫的單電子轉移反應對應836mAh?g^-1的理論比容量。而硒很容易被氧化到Se⁴⁺，因此選用含硒的SeS_x復合材料作為鋁離子電池正極材料，在提高電壓平臺的同時提高放電容量，從而實現高能量密度的鋁離子電池。

發明內容

本發明是為了解決鋁離子電池現有的能量密度低以及硫正極導電性差的問題，提供一種基于硫/硒陽離子反應復合正極活性材料，實現高放電比容量和高電壓的鋁-硫/硒電池技術。

為實現上述目標，本發明采取以下技術方案。

本發明提供一種基于硫/硒陽離子反應復合正極活性材料，進一步實現硫/硒陽離子氧化/還原反應的高電壓鋁-硫/硒電池。

一種基于硫/硒陽離子反應復合正極活性材料，其特征在于，硫/硒陽離子反應復合正極活性材料是選用硫和硒單質或硫硒化合物與碳材料復合，即為SeS_x/C復合正極。

其中硫、硒單質或硫硒化合物的含量為10-90wt.％，S/Se摩爾比x介于1-7；碳材料載體包括但不限于介孔碳、活性碳、碳納米管、石墨烯、石墨烯組裝體、碳微/納球、碳納米角、碳纖維中的一種；SeS_x/C復合正極材料制備方法可采用球磨法、熔融法中的一種，優選熔融法，保溫溫度在120-200℃，保溫時間12h以上。

組裝的鋁-硫/硒電池結構依次包括SeS_x/C復合正極、隔膜、電解液、Al負極。