[发明专利]一种量子点半互穿网络锂硫电池复合正极材料及制备方法

说明书

本发明提供一种量子点半互穿网络锂硫电池复合正极材料的制备方法，将异丙醇铝、聚丙烯酰胺、石墨烯分散在异丙醇，得到分散胶液；将醋酸锌、油酸和1‑十八烯混合，注入硫源进行反应，将硫单质、碳源加入高速分散并进一步降温并采用去离子水清洗、干燥，得到量子点ZnS/S/C复合物；将量子点ZnS/S/C复合物加入分散胶液，搅拌1‑2h后进行喷雾干燥，异丙醇铝在水条件下解缩聚成氧化铝溶胶与聚丙烯酰胺胶形成的半互穿网络网络ZnS/S/C复合物，得到一种量子点半互穿网络锂硫电池复合正极材料。本发明通过在硫化锌量子点形成的过程加入硫、碳，量子点硫化物与硫单质结合，确保硫充分参与电解质反应且防止多硫化物穿梭，并且有效防体积膨胀变形。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种量子点半互穿网络锂硫电池复合正极材料及制备方法。

背景技术

锂硫电池具有非常高的理论容量，其材料理论比容量和电池理论比能量分别达到1672m Ah·g^-1和2600Wh·kg^-1，目前锂硫电池的实际能量密度已达到390Wh·kg^-1，远高于传统锂离子电池能够实现的最高比容量。锂硫电池的优势除了能量密度非常高外，还具有一些其它的优点。一是采用硫和锂作为生产原材料，生产成本相对较低；二是锂硫电池对环境友好，且回收利用的能耗较小，被认为是为目前最具发展潜力的新能源电池。

典型的锂硫电池一般采用单质硫（S8）作为正极，金属锂片作为负极，经三个阶段电池放电，在第一放电阶段，由 S8被还原为 Li₂S₈；在第二放电阶段S₈^2-被还原成聚硫离子S_n^2-；第三个放电阶段形成长放电平台，固相产物 Li₂S₂ 和 Li₂S 开始产生及相互转化。虽然锂硫电池具有高容量、高比能量等优点，但现有锂硫电池还存在一些瓶颈问题：(1)单质硫及其放电产物Li₂S、Li₂S₂均为电子绝缘体、导电性较差；(2)中间产物多硫化锂易溶于电解液，并在正极与负极之间穿梭，造成活性物质的损失和库伦效率降低；(3)充放电过程中，硫与硫化锂之间的相互转化引起体积膨胀和收缩，导致电极材料结构的破坏。特别是锂硫电池在充放电时正极产生多硫化物极易溶于电解液，并逐步扩散至锂负极，与锂负极反应在锂表面生成不溶于电解液的硫化锂绝缘层，使锂失去电化学活性。这不仅导致正极硫活性物质的流失，还会降低锂硫电池的循环稳定性，缩短其寿命。

目前为了防止多硫化物的溶解和穿梭，通常采用将硫正极包覆固定，碳质材料由于其质量轻、导电性好及物理、化学和电化学稳定性强等优点，被认为是电极活性物质的理想载体之一，采用了各类结构的碳材料如中空碳球、大孔或介孔碳、碳纳米管、石墨烯等。中空碳基体有助于限制多硫化物的溶解以及改善电极材料的导电性，在一定程度上提高硫的利用率并延长循环寿命，但仍然存在明显的容量衰减问题。碳纳米管独特的一维中空管状结构，使其具有较高的长径比，并且可以相互搭接在一起，连结成为具有优异导电性能的三维网格。与硫复合后形成的复合材料提高了单质硫的利用率及电化学活性，故其成为良好的载硫基体。石墨烯具有高的比表面积，化学稳定性，机械强度及柔韧性等特点，使其广泛用于储能设备领域作为活性材料的基底，其强的电子耦合可使绝缘的活性材料导电，增加活性材料的利用率，将石墨烯与硫的复合材料作正极材料用于电池中，会显著提高锂硫电池的可用容量和速率性能。利用碳／硫复合结构能够改善正极材料的导电性，但仍然不能有效捕捉极性多硫化物，多硫化物存在向电解液溶解的风险。