[发明专利]一种氮化钛微纳米管/硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极及锂硫电池

说明书

本发明公开了一种氮化钛微纳米管/硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极及锂硫电池，所述氮化钛微纳米管/硫复合材料的制备方法包括以下步骤：将三氧化钼纳米棒材料分散到去离子水中，向其中加入硝酸溶液、三氯化钛溶液，混合均匀后，于100～160℃水热反应10～24h，得到中空管状二氧化钛材料；将中空管状二氧化钛材料在氨气气氛中进行氮化处理，得到管状氮化钛材料；将管状氮化钛材料与硫粉混合均匀，在氩气气氛中密封加热进行熏硫，得到氮化钛微纳米管/硫复合材料，其中空结构可以容纳更多的吸附硫，提供较多的活性位点，且能减缓充放电过程中的正极材料的体积变化，有效地降低多硫化物的“穿梭效应”，提高锂硫电池的容量、循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种氮化钛微纳米管/硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极及锂硫电池。

背景技术

随着化石燃料消耗以及由此带来的环境问题，锂离子电池由于高比容量、高电压、循环寿命长、污染少已经在电动汽车和便携式电子设备得到广泛应用。与锂离子电池相比，锂硫电池具有更高的比能量密度，基于锂负极和硫正极的锂硫电池可以达到2600Wh kg^-1，其理论比容量高达1675mAh^-1g^-1，且单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等优点。因此，锂硫电池作为新一代锂离子二次电池在进一步研究和商业应用中拥有光明的前景。

但是，锂硫电池也面临一些挑战，如倍率性能差、充放电效率不高、循环稳定性差等不足，这些问题主要由硫单质的导电性差，以及硫在充放电过程中的体积效应和多硫化物穿梭效应等造成的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化钛微纳米管/硫复合材料及其制备方法，通过合成中空管状的氮化钛，再熏硫制备出氮化钛微纳米管/硫复合材料。氮化钛拥有较高的导电性且其对硫或多硫化物有强烈的吸附作用，能捕获较低浓度的硫或多硫化物；氮化钛的中空结构提供较多的活性位点，可以容纳更多的吸附硫，同时它能抵抗充放电过程中的硫体积变化，有效地降低多硫化物的“穿梭效应”，从而增强锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

本发明还提供了一种锂硫电池正极及锂硫电池，以本发明所述的氮化钛微纳米管/硫复合材料为活性物质制备得到锂硫电池正极，再将其组装成锂硫电池，该方法得到的锂硫电池具有良好的循环性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种氮化钛微纳米管/硫复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将三氧化钼纳米棒材料分散到去离子水中，向其中加入硝酸溶液、三氯化钛溶液，混合均匀后，于100～160℃水热反应10～24h；冷却后经过滤、氨水浸泡、洗涤、干燥，得到中空管状二氧化钛材料；

(2)将中空管状二氧化钛材料在氨气气氛中加热反应，得到管状氮化钛材料；

(3)将管状氮化钛材料与硫粉混合均匀，在氩气气氛中密封进行加热熏硫，得到氮化钛微纳米管/硫复合材料。

步骤(1)中，三氧化钼纳米棒材料、三氯化钛、硝酸的摩尔比为1：0.5～3：25～50。

步骤(1)中，三氧化钼纳米棒材料、氨水的摩尔比为1：5～30，优选为1：6～15；浸泡时间为1～10h，优选为3～5h。

步骤(2)中，所述加热反应的条件为700～1100℃加热反应1～8h，优选为750～900℃加热反应2～6h。

步骤(3)中，所述加热反应的条件为150～170℃加热熏硫12～50h，优选为155～160℃加热熏硫12～40h。

步骤(3)中，管状氮化钛材料与硫粉的质量比为1:1～4。