[发明专利]MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池

说明书

本发明公开了一种MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池，其中该MXene包覆硫复合材料具有MXene材料包覆硫球的核壳结构。该复合材料可以作为锂硫电池的正极材料，本发明还包括一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括将该复合材料进一步与引发剂混合，得到MXene与聚硫的复合材料；将本发明的复合材料或锂硫电池正极材料应用于锂硫电池中，其中的MXene能够有效地促进硫氧化还原反应的动力学，将其用于锂硫电池的正极材料中，能够起到吸附液相的多硫化物避免其溶解到有机电解液中导致的穿梭效应，同时还能够具有促进正极材料硫的动力学反应，从而提高锂硫电池的循环以及倍率性能。

本申请是分案申请，其母案是申请日为2020年3月13日，申请号为202010175425.1、发明名称为“锂硫电池的载硫材料及正极材料”的发明专利申请。

技术领域

本发明涉及能源存储领域，更具体地涉及一种MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池。

背景技术

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh g^-1和2600Wh kg^-1，远远高于商业上广泛应用的锂离子电池的容量。并且，单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点，锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一，受到全世界科研界和产业界的高度关注，也是未来各国布局的重点研究方向之一。

锂硫电池在实际应用中，其中的硫正极通常表现出严重的容量衰减和低的倍率性能，原因在于以下几点：

(1)单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低 (5.0×10^-30Scm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；

(2)硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66g cm^-3，在充放电过程中有高达 79％的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减；

(3)锂硫电池的中间放电产物(可溶性多硫化物，LiPS，Li₂S_n，4≤n≤8) 会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性，多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费(穿梭效应)；

(4)硫正极的放电过程是从固态硫到可溶性多硫化物Li₂S_n和固态Li₂S(固 -液-固)的多相转化，具有低的动力学反应性。

解决前两个问题，目前主要是通过将活性物质硫与导电的碳材料复合，如介孔碳、碳纳米管、石墨烯，以改善硫正极的电导性并限制体积变化。为抑制LiPS 的穿梭效应，将对LiPS具有高亲和力的电极材料，如杂原子掺杂碳，过渡金属化合物和聚合物引入到硫正极中，研究证明了它们之间强相互作用对抑制硫正极极中的可溶性LiPS非常有效。