[发明专利]一种液态金属/氧化物锂硫电池正极材料

说明书

本发明提供一种基于液态金属与氧化物复合的锂硫电池正极材料及其制备方法。所述的锂硫电池正极材料，包括液态金属和氧化物，通过以下步骤制备：采用高速搅拌剪切法将液态金属均匀分散在熔融态的硫中，冷却后，加入高比表面积多孔氧化物材料混合并研磨均匀，得到液态金属/氧化物/硫复合材料，与导电碳和粘结剂混合搅拌、研磨后制得浆料，涂布在集流体上得到所述的锂硫电池正极材料。本发明改善了氧化物和硫的导电性，降低了锂硫电池充放电中间产物多硫化锂的转换能垒，有效减小导电体的体积，同时不显著降低正极片的导电性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种基于液态金属与氧化物复合的锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着5G时代的到来，越来越多的电子设备对高能量密度电池有强烈的需求，包括5G基站、人工智能自动驾驶电动汽车、智能手机等移动电子设备。锂硫电池(Li-S)由于其具有较高的理论比容量(1675 mAh g^-1)和能量密度(2600 Wh kg^-1)，以及丰富、廉价、无毒的硫原材料，被认为是下一代二次充电电池最有希望的候选材料。然而，锂硫电池循环寿命短是阻碍其实际应用的主要障碍。一般来说，由于多硫化锂的“穿梭效应”和绝缘的放电终产物硫化锂在导电衬底上的缓慢沉淀/溶解，导致活性物质的不可逆损失，造成电池容量在充放电循环的过程中快速衰减，大大缩短了电池的循环寿命。

为了解决和改善上述这些问题，目前学者提出的一些策略，主要涉及将碳材料和无机添加剂(例如，金属硫化物，氧化物，磷化物，氮化物等)进行复合，通过复合材料对多硫化锂的物理限域作用和电化学催化作用，对其进行吸附和催化转化，从而抑制多硫化锂的“穿梭效应”。其中，由于氧化物的化学性质稳定，对多硫化锂具有很好的吸附作用，所以大多数研究采用碳和氧化物复合作为锂硫电池正极材料。例如，Arumugam的团队设计了蛋黄-壳结构的C@Fe₃O₄纳米材料作为高效硫宿主。在0.1 C充放电时，电池具有1366 mAh g^-1的高初始比容量。经过200次电池循环测试后，电池容量仍高达1165 mAh g^-1，容量保持率为85.3%，每次循环的容量衰减率为0.07%。Lou的团队报道了一种TiO@C空心纳米球作为硫宿主，在0.5 C下初始容量为1066 mAh g^-1。电池也表现出良好的循环稳定性，在500圈循环中平均容量衰减率为0.08%。

尽管碳和氧化物的复合材料对锂硫电池的循环性能有一定程度的提升作用，但仍然存在以下一些问题。（1）氧化物对多硫化锂具有很强的吸附作用，但碳材料表面的活性位点较少，在充放电过程中多硫化锂转化能垒高，多硫化锂的不及时转换会导致歧化反应和“穿梭效应”的发生，造成活性物质的损失。（2）碳材料的孔隙结构需要更多的电解液对其进行填充，需要加入更多体积的电解液，限制了锂硫电池的能量密度的提升。

因此，本领域急需开发一种新型锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料在充放电循环过程中可以快速吸附和转化多硫化锂；改善氧化物吸附材料的导电性；抑制中间产物多硫化锂的溶解和流失，从而改善硫电极的循环稳定性，且该材料还需满足制备方法简单，可工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于针对传统碳与氧化物复合材料多硫化锂转化能垒高、合成材料过程繁琐、能耗高与填充电解液多等问题，提供一种高负载量、长循环寿命和低电解液要求的基于液态金属与氧化物复合的锂硫电池正极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于液态金属与氧化物复合的锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料包括硫、氧化物以及分散在其中的液态金属。

其中，所述的氧化物为高比表面积的多孔氧化物颗粒。所述的硫和液态金属为分散在热熔后三维多孔硫的纳微尺寸的液态金属。