[发明专利]一种锂硫电池高吸附催化性能正极材料的制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种锂硫电池高吸附催化性能正极材料的制备方法。该锂硫电池高吸附催化性能正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备二氧化硅球分散液：采用溶胶凝胶法；(2)制备高度均匀的酚醛树脂乙醇溶液：采用醛酚加成反应；(3)制备SiO₂/AAO双模板；(4)制备Ta/CNW；(5)制备S@Ta/CNW。

技术领域

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种锂硫电池高吸附催化性能正极材料的制备方法。

背景技术

随着社会的迅猛发展，全球人口数量的增长，化石燃料的日益枯竭以及传统化石能源带来的巨大环境问题，使得人类对能源和可持续发展的新能源产生了迫切需求。新能源工业如核能、风能、太阳能等可再生能源，得到了高速持续的发展，由于新能源工业普遍面临季节性、周期性等特点，往往需要进行先存储再分配，故能源存储设备的发展直接制约了新能源工业的发展速度。为了应对能源危机和环境污染的挑战，当前紧要任务是开发环保且具有较高性能的能量储存与转换系统。

虽然锂离子电池的开发已经十分成熟，其比能量已经十分接近其相对应材料的理论比能量(300mAh﹒g^-1)，但仍满足不了人们对环保型和高比能量新型电池日益增长的需求，寻找下一代能量密度高、环保和成本低的锂二次电池正极材料成为急需解决的问题。以金属Li为负极，单质硫作为活性正极的锂硫电池展示出高达2600Wh﹒kg^-1的理论能量密度和高放电比容量(1675mAh﹒g^-1)，并且硫无毒、低价友好，因此该体系已经成为下一代最具潜力广泛应用的二次电池之一。

锂硫电池的工作机制不同于“脱出/嵌入”式的锂离子电池，它主要依赖于S₈和Li进行一系列的可逆的电化学反应来完成充/放电过程而提供能量。尽管具有比容量及能量密度高、环境友好、硫资源丰富等众多优势，但由于其活性材料和放电产物本身的物理化学特点使得电池存在实际放电容量低、循环稳定性差、自放电严重以及安全性降低等问题，严重制约着锂硫电池的商业化生产。

因此锂硫电池若广泛应用必须应对以下几个关键挑战：(1)硫和终产物Li₂S₂/Li₂S导电性低。室温下活性物质硫的电导率仅仅为5×10^-30S﹒cm^-1，呈绝缘特性，使得电池内阻大大增加，导致活性材料的利用率和倍率性能降低。(2)多硫化物穿梭效应。放电反应过程中，正极产生的长链多硫化物中间体Li₂S_x(4≤x≤8)易溶于常用的醚类电解液，并由于浓度梯度力的作用，可以穿过隔膜并迁移扩散至负极，随后部分Li₂S_n与锂金属负极结合生成不溶的短链多硫化物Li₂S₂/Li₂S，使得负极表面被腐蚀钝化，阻碍反应的进一步进行而降低电池库伦效率。充电时在电场力的驱动下，锂负极上的短链多硫化物回到硫正极并在充电过程中再次被氧化成长链多硫化物；引起锂硫电池容量快速衰减、库伦效率降低、严重自放电和循环寿命缩短等致命问题。(3)体积膨胀。正交相环状单质硫的密度(2.03g﹒cm^-3)比放电终产物Li₂S(1.66g﹒cm^-3)大很多，导致锂硫电池在充放电过程中存在巨大的体积变化(约为80％)。造成电极结构粉化，使得活性材料与导电添加剂、集流体分离，可溶性多硫化物从正极泄漏。

为了解决锂硫电池中所存在的问题，研究者们提出了各种策略全方位地改性锂硫电池体系，包括设计新型正极材料，开发新型电解液，修饰隔膜和保护锂负极等。现有技术是将活性炭、有序介孔碳、多壁碳纳米管以及石墨烯等与硫复合形成硫/碳复合材料，一方面，碳材料作为导电载体可提高硫正极的导电性；另一方面，将硫嵌入到碳材料孔道和孔隙中，一定程度上可防止中间产物多硫化物溶解在电解液中，改善循环性能。然而非极性的碳材料与极性的多硫化物仅是弱的物理相互作用，不足以彻底改善多硫化物的穿梭效应。

发明内容