[发明专利]一种用于锂硫电池正极的氮化钛/硫复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于锂硫电池正极的氮化钛/硫复合材料及其制备方法。所述方法主要包括钛箔的表面处理，TiO₂长纳米管阵列的制备，晶化焙烧，TiN纳米管阵列的制备以及载硫等几个步骤。通过制备纳米管阵列排列形貌的TiN，来提升材料的比表面积，同时TiN材料具有良好的柔性，其特有的管状排列形貌有利于负载硫并抑制体积膨胀。TiN的高电导率可以进一步提高电化学性能，组装后的电池具有高比容量、高倍率和超长循环性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料领域，具体地涉及一种用于锂硫电池正极的氮化钛/硫复合材料及其制备方法。

背景技术

随着电动汽车和大型储能装置的迅速发展，对高能量密度、长循环寿命的充电电池的需求日益迫切。硫具有理论比容量高(1675mA h g^-1)、高天然丰度、低滑移率和环境友好等优点，被认为是下一代储能装置的候选材料。与商用锂离子电池相比，锂硫电池具有更优越的性能，理论能量密度为2600Wh/kg。然而，锂硫电池仍然存在着一些阻碍其应用及发展的问题，如硫的绝缘性、循环过程中的体积膨胀、可溶性多硫化物的穿梭效应、锂负极的树枝状生长以及电解液的快速消耗等问题。要解决上述问题，最常用的方法是将硫负载在导电性良好的材料上作为锂硫电池阴极，包括多孔碳/硫复合材料、金属基化合物、石墨烯基材料和碳纳米管等。然而，碳基材料对多硫化物的吸附作用往往较弱，只能短时间内限制多硫化物的穿梭效应。研究表明，过渡金属氮化物对LiPS具有很强的吸附作用，同时其具有优异的电导率，是作为硫的理想载体，在充放电过程中可以有效地抑制硫化物的穿梭效应。

发明内容

为了克服硫导电性差以及锂硫电池充放电过程中体积膨胀和穿梭效应的缺陷，本发明提供了一种用于锂硫电池正极的氮化钛/硫复合材料及其制备方法。通过制备纳米管阵列排列形貌的TiN，来提升材料的比表面积，同时TiN材料具有良好的柔性，其特有的管状排列形貌有利于负载硫并抑制体积膨胀。此外，TiN具有良好的电导率，弥补了硫导电性差的缺点。

本发明的技术方案是：一种用于锂硫电池正极的氮化钛/硫复合材料的制备方法，包括如下几个步骤：

(1)钛箔的表面处理

将厚度为0.1mm的纯钛箔在丙酮和乙醇的混合液中超声2h，置于浓硝酸溶液中进行化学抛光，之后用去离子水进行冲洗，最后将钛箔在氮气的保护下进行干燥；

(2)TiO₂长纳米管阵列的制备

在含2mg/mL氟化铵和8mg/mL乙二醇的水溶液中，将钛箔在60V恒电位下氧化2h，制得TiO₂长纳米管阵列；

(3)晶化焙烧

将步骤(2)制备的TiO₂长纳米管阵列在空气中于450～600℃焙烧2h，实现由非晶态到锐钛矿型的相变；

(4)TiN纳米管阵列的制备

将步骤(3)相变后的TiO₂长纳米管阵列在氨气气氛下梯度升温至600～800℃，保温3h，然后冷却至室温，即得到TiN纳米管阵列；

(5)载硫

将制备好的TiN纳米管阵列与纯硫粉以1:3的比例混合后充分研磨，所得研磨混合物置于反应釜中进行水热反应，即得所述氮化钛/硫复合材料。

步骤(4)中所述梯度升温的过程包括以下几个阶段：以5℃﹒min^-1的升温速率从室温升温至300℃；以2℃﹒min^-1的升温速率从300℃升温至700℃；以1℃﹒min^-1的升温速率从700℃升温至800℃。