[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明属于材料化学领域，涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。本发明采用去和金法，经过Al－Ni－Fe合金带的制备、多孔镍铁双金属氧化物的制备和多孔镍铁双金属氧化物/硫复合材料的制备三个步骤，制备出多孔镍铁双金属氧化物/硫复合正极材料，该材料的多孔结构起到很好的固硫作用，显著提高了锂硫电池正极材料的电化学性能，循环过程中放电容量衰减很小，循环稳定性显著提高。

技术领域

本发明的技术方案涉及由活性材料制备电极的方法，具体地说是一种锂硫电池正极材料的制备方法，属于材料化学领域。

背景技术

近年来，随着智能电子产品、电动汽车等对高性能储能设备需求的迅猛增长，人们开始寻找具有高比能量的新型储能电源。因此，开发下一代能量密度高、环保、低成本的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。新型锂硫电池由于其具有高的理论比容量（2600Wh/kg），是传统锂离子电池的5-10倍而受到研究者们的广泛关注。同时，单质硫具有低成本、高安全性能、环境友好等优点，使其成为最具有开发前景的下一代电池体系的候选之一。

但锂硫电池存在的一些关键问题严重制约了其实际应用。其一，在室温下，硫是离子电子绝缘体，导电率仅为5×10^-30S·cm^-1。并且放电产物 Li₂S和Li₂S₂ 也具有很低的离子和电子导电率。这使电池界面接触电阻增大，电化学活性较低，导致硫基正极材料活性物质难以充分利用。其二，硫在充放电过程中产生的中间产物Li₂S_n（4≤n≤8)易溶于有机电解液中。一方面，会造成正极活性物质的不可逆损失，导致正极活性物质利用率低，进而循环过程中容量的快速衰减和自放电；另一方面，溶解的多硫化物在正负两极来回迁移，形成“穿梭效应”。多硫化物随着电解液穿梭到负极，与金属锂发生反应，形成的固体硫化锂致使负极表面钝化，增加了电池的内阻，导致极化现象严重；其三，S₈的密度是2.07g/cm^-3，硫化锂的密度是1.66g/cm^-3。由于密度的变化和循环过程中“固-液-固”体相的变化，在放电过程中，体积会发生膨胀（约为76%），引起活性物质的脱落。并且在充电过程中，硫化锂被氧化脱锂生成硫，致使体积收缩。电极材料反复的膨胀和收缩会导致电级结构的坍塌，电极容量迅速衰减。针对锂硫电池的缺点，许多研究者从各个方面对锂硫电池进行改性研究。对于正极材料的研究，主要是以下几个方面：（1）将硫均匀地分散在基质材料上，增大与电解液的接触面积，提高活性物质硫的利用率；（2）增强电导率，便于离子和电子的传输；（3）吸附多硫化物，从而抑制穿梭效应，提高循环稳定性。（4）提供体积膨胀空间，防止电极结构坍塌，提高电池的循环寿命。因此，锂硫电池正极材料的研究主要集中在碳/硫复合材料、导电聚合物/硫复合材料和金属氧化物/硫复合材料三方面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，该方法用去和金技术来制备出镍铁双金属氧化物/硫复合正极材料，该方法产量高，且工业化前景好。制备出的复合正极材料为载有硫的多孔结构镍铁双金属氧化物，多孔的双金属结构能够起到固硫的作用，减少了活性物质的损失，从而提高电极材料的比容量和倍率性能。

本发明提供的复合正极材料的制备方法具体包括步骤如下：

（1）Ni-Fe-Al合金带的制备

采用真空电弧炉中精炼高纯度Al，Ni和Fe（99.99 wt％）来制备合金锭，然后通过熔融纺丝工艺制造厚度约20微米，宽度3毫米的合金带；

（2）多孔镍铁双金属氧化物的制备

将步骤（1）得到的合金带在25℃下置于2L 2M NaOH溶液中，进行自发氧化8～10小时，从合金带中蚀刻Al来进行去金合，用超纯水清洗2～4次后，在真空烘箱（0.08～0.1MPa）中60～80 ℃下干燥12～24 h，最终得到多孔镍铁双金属氧化物；