[发明专利]一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用，属于电极材料领域。以含硼量丰富的硼酸和D‑果糖为硼源和碳源，用纳米SiO₂铸造的方法制备出直径为100～300nm的富硼中空碳壳，利用化学吸附与物理吸附相结合的方式实现对多硫化物更加有效的吸附，限制多硫化物的溶出，富硼中空碳壳充硫之后形成一种蛋壳结构，使得硫内核与富硼中空碳壳之间存在内部空隙，以容纳硫原子锂化过程中的体积膨胀；同时制得水锰矿型的δ‑MnO2纳米片层，并将其作为载硫材料应用于锂硫电池中，极大的改善电解质在充放电过程中的溶解迁移问题，电池的循环稳定性得以提升。

技术领域

本发明属于电极材料领域，涉及一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用。

背景技术

二次电池因为经济实用的特性应用已经非常广泛，特别是锂离子二次电池因具有工作电压高、能量密度大(重量轻)、无记忆效应、循环寿命长以及无污染等优点，近年来，已经成为各类电子产品的首选电源。但是随着移动互联网时代的来临、电子设备小型化以及电动自行车、电动汽车、大型储能电站进入大规模发展和应用阶段，对锂离子二次电池提出了更高的要求，锂离子电池受传统正极材料自身理论容量的限制，能量密度低，已经不能满足我们越来越高的要求。所以人们开始研究一些新型的锂二次电池体系，其中锂硫电池成为了研究的热点。

锂硫电池的优势在于：(1)单质硫在自然界储量丰富；(2)环境友好；(3) 硫材料理论比容量高达1 672mAh·g^-1(基于硫单质)(4)理论比能量高达2600 Wh·kg^-1(基于锂-硫化学电对)。然而，多硫化物Li₂S_x(2<x<8)在电解质溶液中溶解迁移等问题,不仅会造成活性物质的损失还会引起飞梭效应，严重破坏了 Li-S电池的循环稳定性，使其在走向实用化的过程中遇到许多困难。因此有效的固定多硫化物，抑制多硫化物的迁移，对于提高电池的电化学稳定性至关重要。

人们采取了各种策略来解决以上提到的问题，包括设计新型的正极材料、电解质、负极保护以及新型的电池结构。其中，对于正极材料的研究大部分集中于通过单纯的物理吸附作用来固定多硫化物。多孔导电材料比如多孔碳、导电聚合物还有金属氧化物等通过毛细管效应将多硫化物吸附在内表面，以此来抑制多硫化物的迁移。其中，碳质材料具有优异的力学、电学、导热性能,可调的孔结构,以及丰富的表面特性。在碳质材料和硫高效复合得到的碳硫复合正极中, 纳米碳质材料可形成高效的正极导电骨架结构,从而很大程度上克服硫、硫化锂低电导率问题；利用纳米碳质材料的独特孔结构也可调变多硫化物的溶解、迁移和穿梭,减少活性材料的流失。然而，这些设计受限于碳支架和活性物质硫之间基于物理吸附的弱相互作用。迄今为止，多孔碳-硫复合材料作为正极材料的电池容量通常限制在1000mAh/g(以S的质量计算)以下。

因此，束缚多硫化物更为有效的方式应该是将物理吸附与化学吸附结合起来。化学吸附与物理吸附相比，吸附力为化学键力，比物理吸附的范德华力更强。例如吸附剂与吸附质共有电子成共价键或配位键，这种共价键或配位键可以强有力的将多硫化物束缚在正极。