[发明专利]一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池自支撑正极材料，是由纳米钽酸锂与氧化石墨烯复合而成，其中以GO作为骨架结构，以nano‑LiTaO₃作为多硫化物的吸附载体和催化剂附着于GO上。该材料中nano‑LiTaO₃对溶解在有机电解液中的多硫化物具有极强的吸附效果，同时在电池充放电过程中，nano‑LiTaO3可以有效地促进吸附在表面的多硫化物氧化还原反应，提升电池电极反应动力学，此外，本发明利用氧化石墨烯冻干后容易成膜的特点，将制备得到的nano‑LiTaO₃与GO复合在一起形成nano‑LiTaO3@GO自支撑结构。这种结构负载硫之后可以作为锂硫电池自支撑正极使用，并且可以很好的解决锂硫电池中的多硫化物穿梭效应提升电池的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法，该材料是基于纳米钽酸锂(nano-LiTaO₃)与氧化石墨烯(GO)复合而成的气凝胶材料，简写为nano-LiTaO₃@GO。

背景技术

新能源产业尤其是电动汽车行业不断的发展，促进了市场对电动汽车提出了更高的技术标准。传统锂离子电池由于受正极材料理论容量和成本的限制，难以在能源及交通等领域得到更加广泛的应用。锂硫电池(Li-S)是上世纪60年代提出来的二次电池的概念，它是由锂金属(Li)作为负极材料、单质硫(S)作为正极材料构建的一种二次电池体系。从经济上和保护环境的角度来说，S在地球上的储量丰富，来源广泛，因此价格非常便宜，同时S单质无毒，是一种环境友好型的电极材料。从电池原理上来说,Li与S之间可实现2电子的转移,基于此，S电极的理论比容量可以高达1675mAh/g，是目前商业化锂离子电池主流正极材料的8-9倍。除此之外，Li-S电池由于使用了金属Li作为负极，Li的理论容量高达3860mAh/g，是当前石墨负极的将近11倍。以S与Li构建的锂硫电池体系的理论能量密度可以高达2600Wh/kg，是传统锂离子电池的理论能量密度的5倍之多。即使锂硫电池最终应用时的能量密度只能实现其理论值的1/5，它的实际能量密度也能高达500Wh/kg，这个值是目前主流锂离子电池实际能量密度的2倍之多。所以锂硫电池极有希望使得电动汽车的续航里程达到匹配燃油汽车续航里程的水平，同时价格便宜，环境友好。

但是锂硫电池距离商业化应用还有一段的距离，导致这种现状的最主要问题是充放电反应过程中生成的多硫化物能够溶解在有机电解液中，这些溶解的多硫化物会扩散到Li金属表面与Li发生直接接触式的反应，破坏Li金属表面的SEI膜，促进锂枝晶的形成，导致电池短路。同时最明显的是溶解的多硫化物会不断地消耗活性物质导致Li-S电池的循环性能很差。这些由于多硫化物溶解导致的一系列不良效应被称为“穿梭效应”。

钽酸锂(LiTaO₃)具有良好的机械性能可以低成本地大规模制备高比表面积的纳米材料，同时又具有原材料成本低的优点。通过我们的实验和理论探究，nano-LiTaO₃对溶解在有机电解液中的多硫化物具有极强的吸附效果。同时在电池充放电过程中，nano-LiTaO₃可以有效地促进吸附在表面的多硫化物之间的电子转移，既nano-LiTaO₃还可以有效的促进Li-S电池的电极反应动力学过程。氧化石墨烯气凝胶具有超轻的特点，同时很容易形成高比表面积的自支撑薄膜。

目前还没有研究文献报道过nano-LiTaO₃(或者是任何形貌的LiTaO₃)能够作为有效的多硫化物吸附剂和催化剂解决锂硫电池穿梭效应并且提升电极反应动力学。这种nano-LiTaO3@GO气凝胶结构用于锂硫电池自支撑正极解决穿梭效应并且提升Li-S电池循环性能、倍率性能以及提高电极动力学的相关文献报道也未出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池自支撑正极及其制备方法，用于减轻多硫化物溶解导致的电池循环性能下降，同时提升锂硫电池电极反应动力学，提升电池的倍率性能。