[发明专利]一种锂-硫电池正极材料及其制备方法和应用有效

专利信息
申请号: 201811545102.6 申请日: 2018-12-17
公开(公告)号: CN109698333B 公开(公告)日: 2020-08-14
发明(设计)人: 张策;刘盛堂;厉耀华;杨晓晶;岳文博 申请(专利权)人: 中国空间技术研究院
主分类号: H01M4/36 分类号: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00
代理公司: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 张丽娜
地址: 100194 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 电池 正极 材料 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

发明涉及一种锂‑硫电池正极材料及其制备方法和应用,特别涉及纳米材料制备和电化学材料,属于锂离子电池制备技术领域。本发明采用的溶剂热方法且所需原料都是工业级的产品,制备过程和工艺简单,有利于实现工业化生产。该方法制备的锂‑硫电池正极材料硫含量高、稳定性好、电池性能好,工艺简单且成本低。

技术领域

本发明涉及一种锂-硫电池正极材料及其制备方法和应用,特别涉及纳米材料制备和电化学材料,属于锂离子电池制备技术领域。

背景技术

锂-硫电池作为有望实现产业化的下一代锂离子电池,具有比能量高,价格低廉,环境优好等优点;其理论能量密度高达~2600Wh/kg,是传统锂离子电池能量密度的2-5倍(例如以钴酸锂/石墨为正负极的锂离子电池,能量密度低于200Wh/kg),可以满足以锂离子电池为电源的各种电子设备和电动汽车的能量存储要求。因此,锂-硫电池吸引了大量研究人员的关注,产业化探索也已经开始。但是,仍有一些问题限制了锂-硫电池的发展和产业化进程。包括:第一,活性物质的电子/离子导电性差,包括单质硫(S8)、硫化锂(Li2S)和过硫化锂(Li2S2)等,造成活性物质的利用率低;第二,反应的中间产物多硫化锂(Li2Sx,2≤x≤8)会溶解到电解液中,发生“穿梭效应”,导致活性物质损失严重,库伦效率低;第三,单质硫在充放电过程中会发生剧烈的体积变化,破坏电极结构,影响电池寿命。

发明内容

本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提出一种锂-硫电池正极材料及其制备方法和应用,在多孔碳表面生长一层无定形态的二氧化钛薄膜,用其来负载硫单质后用于锂-硫电池的正极材料。

本发明的技术解决方案是:

一种锂-硫电池正极材料,该正极材料包括硫、多孔碳(记为PC)和包覆层;

包覆层为纳米级二氧化钛;

包覆层包覆在多孔碳的表面,硫填充在多孔碳的带有包覆层的孔中。

一种锂-硫电池正极材料的制备方法,该方法的步骤包括:

(1)对多孔碳进行酸化处理,得到酸化后的多孔碳,标记为APC;

(2)将步骤(1)得到的酸化后的多孔碳分散在非极性溶剂中,然后加入钛源,并进行密封,超声搅拌4h-30d(天),超声搅拌结束后进行离心洗涤,离心洗涤时使用非极性溶剂,离心洗涤的目的是为了去除没有反应的钛酸盐,离心洗涤结束后将得到的固体再次分散在非极性溶剂中,在90-240℃的温度下进行溶剂热反应2h-2d,溶剂热反应结束后进行离心洗涤,离心洗涤时使用非极性溶剂,离心洗涤结束后将得到的固体进行干燥,干燥温度为60-100℃,得到无定型二氧化钛薄膜包覆的多孔碳,标记为TiO2@APC;

(3)将步骤(2)得到的无定型二氧化钛薄膜包覆的多孔碳与单质硫进行混合,混合均匀后在惰性气体环境中进行密封,惰性气体为氮气、氦气或氩气;密封结束后进行加热,加热温度为110-500℃,加热时间为30min-12h,得到无定形态二氧化钛薄膜包覆的多孔碳负载单质硫,标记为TiO2@APC@S。

所述的步骤(1)中,多孔碳选用super P、科琴黑、CMK-3或CMK-8,多孔碳的比表面积为200m2/g-2000m2/g,孔径为1nm-100nm;酸化处理时使用的试剂为硝酸、硫酸、磷酸中的一种或两种以上的混合物,酸化处理过程为:将多孔碳与试剂进行混合,搅拌,混合温度为20-140℃,搅拌时间为10min-24h,搅拌结束后使用去离子水进行洗涤,然后进行干燥,干燥温度为60-100℃,多孔碳与试剂的比例关系为1g:5-100ml;

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