[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极材料的制备方法，具体制备过程如下：将适量六水硝酸锌、苯二甲酸、科琴黑以及表面活性剂加入到N，N‑二甲基甲酰胺中制成混合溶液，然后将混合液超声搅拌至分散均匀；将混合液装入水热反应釜中进行水热反应得到KB@MOF‑5；将KB@MOF‑5置于有惰性气体保护的管式炉中，经高温碳化后获得KB@Meso‑C；在惰性气体保护的管式炉中，通过热处理将活性硫热熔融到KB@Meso‑C复合材料中，得到KB@Meso‑C/S。本发明通过在正极材料的表面包覆科琴黑，可以有效缓解锂硫电池正极材料中的活性硫在充放电过程中中间产物多硫化锂的溶解及在正负极间来回的穿梭，提高锂硫电池正极材料电子电导率和锂离子迁移率，从而提高锂硫电池的可逆比容量、倍率性能、循环稳定性及寿命。

技术领域

本发明属于锂电池制备领域，涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

在20世纪60年代首次提出锂-硫电池的概念，作为有前景的下一代锂二次电池体系，锂-硫电池是通过锂和硫之间的可逆电化学反应储存和输送能量，理论上，由于其活性材料硫的理论容量1675mAh g^-1比常规电池高一个数量级，锂硫电池的能量密度(2600Whkg^-1)五倍于商用电池，传统的锂离子电池正极材料理论能量密度在350～400Wh kg^-1，实际能量密度在100～220Wh kg^-1，限制了其在大功率充放电领域的应用(如电动汽车、静态储能等)，由于传统电池在电动车辆和便携式设备中失去其吸引力，锂硫电池逐渐流行。

目前锂-硫电池的学术研究尚未转化为商业成功，其较差的循环稳定性是阻碍其向应用迈进的主要问题，其存在的问题主要有以下几点：

(1)硫的绝缘性：元素硫及其锂化合物(Li₂S)不导电，造成硫的利用有限，很少实现理论容量。因此，为了确保高容量和倍率性能，导电基体起着关键作用。

(2)可溶性多硫化物：长链锂-硫化合物(Li₂S_x，x＝4～8)的溶解导致正极附近多硫化物浓度偏大，在浓度梯度驱动下从正极扩散出来，导致容量的降低。在电池循环过程中，电解液粘度逐渐增加并且饱和，多硫化物的迁移将被减轻。

(3)穿梭效应：描述了部分溶解的多硫化物在两个电极之间不断穿梭和转化的现象，导致低的库仑效率，是电池容量降低的主要原因。然而，近来已经发现，电解质中的添加剂例如LiNO₃可在锂负极上产生钝化膜，这有助于抑制表面反应和穿梭效应。

(4)形态重建：由于锂-硫电池中的电化学过程需要固-液-固转变，重复的成核和溶解将对电极的形态产生显着的影响，活性材料将在正极中重新分布，并且从导电基体中分离出的那些将变得无活性，体积膨胀使再分布复杂化，这导致正极形态与其初始状态完全不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，该方法通过在正极材料的表面包覆科琴黑，可以有效缓解锂硫电池正极材料中的活性硫在充放电过程中中间产物多硫化锂的溶解及在正负极间来回的穿梭，提高锂硫电池正极材料电子电导率和锂离子迁移率，从而提高锂硫电池的可逆比容量、倍率性能、循环稳定性及寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种锂硫电池正极材料的制备方法，具体制备过程如下：

第一步，将适量六水硝酸锌、苯二甲酸、科琴黑以及一定量的表面活性剂加入到足量的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中制成混合溶液，然后将混合液超声搅拌至分散均匀；

第二步，将第一步所得的混合液装入水热反应釜中水热反应一段时间后，将水热反应釜放置到烘箱中加热到设定温度后保温一定时间，然后自然冷却到室温，接着将水热反应釜中的沉淀过滤洗涤后烘干，获得科琴黑包覆金属有机框架MOF-5复合材料，即KB@MOF-5；