[发明专利]一种新型难溶的环状锂-有机硫电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种新型难溶的环状锂‑有机硫电池正极材料及其制备方法和应用。该有机硫电池正极材料为难溶的环状有机锂，以TBBT为原料，在DMSO溶液中合成得到。该正极材料与碳纳米管基底组成正极，在锂金属电池中稳定循环并具有较高的库伦效率。同时，由于在放电过程中形成的放电产物Li₂‑TBBT可以在负极形成一层有机/无机复合的SEI，使得它可以在以锂化碳纸为负极的全电池中展现出优异的电化学性能；用Li‑CP代替锂金属作为负极，极大的提高了电池的安全性，并且使锂‑有机硫电池具有商业化的应用潜能。

技术领域

本发明属于锂-有机硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种新型难溶的环状锂-有机硫电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车的发展，锂离子电池凭借其高能量密度的优势占据了相当大的市场份额。锂离子电池的正极材料主要是过渡金属氧化物，如钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)等，但是由于钴资源短缺、LMO循环稳定性差、LFP能量密度低等缺点限制了锂离子电池的进一步发展。因此，探索新型锂电池正极材料势在必行。与无机材料相比，有机电极具有容量高、结构多样、成本低等优势。其中，羰基类化合物、醌类化合物、和有机硫分子是具有代表性的正极材料。有机电极中的电荷存储机制是基于化学键的断裂与形成，这与过渡金属氧化物中的离子嵌入机制不同。因此，有机材料作为电极材料具有广阔的探索空间，并具有有趣的氧化还原机制。

含有硫-硫(S-S)键的有机硫分子是一类基于S-S键的断裂和形成而展现出电化学活性的有机电极材料。目前已经有大量的研究报道，有机硫可以在锂电池中展现出优异的电化学性能。然而，大部分有机硫都仅在锂金属半电池中被研究，并且大部分都易溶于电解液。锂枝晶在锂负极上的生长会导致严重的安全问题。此外，有机硫的溶解会导致电池容量的快速衰减。因此，开发不溶性的有机硫材料，用非锂金属负极替代锂金属负极可以大大提高电池的安全性，推进有机硫正极的商业化进程。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型难溶的环状锂-有机硫电池正极材料及其制备方法和应用。该正极材料HTBCO难溶于电解液，大大降低了电池在循环过程中活性物质的损失，延长了电池的循环寿命，用于电池正极可以实现超稳定长循环。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种新型难溶的环状锂-有机硫电池正极材料，所述正极材料为HTBCO，所述HTBCO结构如下所示：

提供一种上述正极材料HTBCO的制备方法为：以4,4'-硫代双苯硫酚为原料，在二甲基亚砜溶液中搅拌反应10～12小时即得HTBCO。

优选地，反应后的产物用丙酮反复洗三次后50～60℃干燥10～12小时使溶剂完全挥发。

提供一种新型难溶的环状锂-有机硫电池正极，包括上述HTBCO和负载所述HTBCO的多壁碳纳米管基底。

按上述方案，所述正极中，HTBCO的负载量为1.3～1.5mg cm^-2。

提供一种上述正极的制备方法，包括以下步骤：

将多壁碳纳米管和HTBCO在无水乙醇溶剂中超声分散均匀，后处理得到负载HTBCO的正极材料。

按上述方案，所述后处理为过滤、洗涤、真空干燥，按需裁切。优选地，所述后处理具体步骤为：过滤，无水乙醇洗涤数次；然后真空条件下50～60℃干燥10～12小时；最后将干燥好的复合材料按需裁切。

按上述方案，所述多壁碳纳米管和HTBCO质量比为1.5-2.5:1。

提供一种锂-有机硫电池，包括锂硫电解液、隔膜和锂负极，还包括上述正极，所述锂负极为锂金属片或锂化碳纸。