[发明专利]一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法。该材料为多孔花状CoP/C@S复合材料。以氯化钴双甲醇为前驱体，采用低温磷化工艺合成多孔花状CoP/C@S复合材料，这种复合材料的多孔结构可以有效地包覆硫，抑制多硫化物的溶解，提高了活性物质的利用率，并且CoP/C@S复合材料的多孔性和纳米尺寸赋予了其超离子导电性和较大的电极/电解质界面，提高了导电性，促进了电子和离子的传输。

技术领域

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

混合动力汽车和纯电动汽车由于环保无污染而受到追捧，移动电子和数码设备也已经普及，再加上电网系统和空间技术的迅速发展，人们对高性能的新型二次电池需求日益迫切。但是现在广泛使用的锂离子电池正极材料均不能满足高比容量、高比能量的要求，这是由于其理论比容量本身较低，进一步提高其综合电化学性能的可能性受到限制，因此研究和开发新的具有高比容量和高比能量，且环保、廉价的新型高性能二次电池成为科技工作者的研究热点。由于硫的理论比容量高达1672mAh/g、理论比能量高达2600mAh/g，另外，硫资源丰富、价格低廉、对环境友好无毒性，因而锂硫电池成为最具发展和应用潜力的高性能二次电池体系之一。

虽然锂硫电池在二次电池中具有很明显的优势，但是锂硫电池在实际应用上仍存在一些关键难题：1）硫自身导电性极差，25℃时其电导率仅为5×10^-30S·cm^-1，属于典型的电子和离子绝缘体，放电产物硫化锂也是绝缘体，而且硫化锂不能全部可逆地转化为硫，很容易失去电化学活性。2）单质硫在充放电过程中生成的中间产物多硫化物易溶解于现在实际应用的电解液中，从而造成了部分电极活性物质的损失；同时多硫化物的大量溶解还会引起电解液粘度增大，使锂离子在电解液中的迁移阻力增大，电解液的离子导电性变差，影响了硫电极的电极动力学过程。3）溶于电解液的长链多硫化物在浓度梯度作用下能够透过隔膜扩散到负极，在负极表面与金属锂发生自放电反应，被还原生成短链多硫化物，短链多硫化物又会扩散回到正极重新被氧化生成长链多硫化物，这种多硫化物在正负极之间来回穿梭自放电的现象是锂硫电池特有的现象，即所谓的“穿梭效应”。穿梭效应会影响电池正常充电的完成，降低电池的库伦效率。此外，长链的多硫化物在负极表面反应会引起负极表面腐蚀现象，影响锂电极的电化学性能。4）单质硫的密度（2.07g/cm³）和放电产物硫化锂的密度（1.66g/cm³）相差较大，充放电过程中材料的体积会发生明显变化，而反应中负极会因为锂被消耗而体积缩减。正负极材料体积反复发生变化会一定程度上破坏电极的物理结构，产生微裂纹，最终可能出现粉末化现象而导致电极失效。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法，以氯化钴双甲醇为前驱体，采用低温磷化工艺合成多孔花状CoP/C@S复合材料，这种复合材料的多孔结构可以有效地包覆硫，抑制多硫化物的溶解，提高了活性物质的利用率，并且CoP/C@S复合材料的多孔性和纳米尺寸赋予了其超离子导电性和较大的电极/电解质界面，提高了导电性，促进了电子和离子的传输，同时CoP作为一种催化剂，增强了电催化活性和反应动力，能够加快充放电过程中氧化还原过程的进行；其次CoP/C@S复合材料的这种花状能够适应充放电过程中体积的膨胀，增强了结构的稳定性，进而提高锂硫电池的整体性能。所述制备方法利用简单的磷化工艺来制备多孔花状CoP/C@S复合材料，是一种具备高产量与工业可行性等特点的锂硫电池正极材料的制备方法，在制备多孔花状CoP/C@S复合材料做正极材料中所采用的水热法和原位热解-磷化法是最为简便和高产的合成手段，并且这种策略容易、有效，易于实现多孔花状CoP/C@S复合材料制备的大规模和低成本工业化。

本发明的技术方案为：一种高性能锂硫电池正极材料，该材料为多孔花状CoP/C@S复合材料。

一种所述高性能锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：