[发明专利]一种含有多孔金属的锂-硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域。特别是一种锂-硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前综合性能最好的二次电池，已经广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品及电动工具。随着各种规模的储能电站、电动汽车、智能电网的迅猛发展，对锂离子电池的能量密度和功率密度的要求也越来越高。但是，受电池体系和电极材料理论储锂容量的限制，即使考虑到今后采用具有更高比容量的正负电极材料和更先进的电池设计与制造技术，锂离子电池的比能量也将停留在300Wh kg^-1以下。因此，使用锂离子电池的纯电动汽车难以达到能与现有燃油车相比拟的续驶里程（通常在500km左右，要求电池比能量达到350Wh Kg^-1以上）。为进一步提高锂二次电池的比能量和比功率，就必须发展采用新的电池体系。

单质硫作为锂离子电池正极材料，其理论容量可高达1675mAh/g，理论比能量达2800Wh/kg。而且，硫的储量丰富，单质硫廉价、无毒性。所以，锂-硫电池是未来锂二次电池的发展方向之一。在目前正在研究的各种二次电池体系中，只有锂-硫（Li-S）电池和锂-空气电池能够胜任高比能量的要求。美国SION POWER公司已经推出比能量达到350Wh kg^-1的原型锂-硫电池，未来锂-硫电池的比能量将有望达到或超过700Wh kg^-1。因此，锂-硫电池是一种有望满足高能量密度要求，又具有廉价环保特性、极具推广意义的二次锂电池，可以满足不同场合对高性能二次电池的要求。

但是，由于单质硫（或硫化锂）的低电导率特点以及单质硫与锂反应生成的众多中间产物（多硫化物）易于溶入电解液，导致活性物质流失、电池自放电和电极钝化等问题，目前通常是将单质硫装载（装填、附着、混合、包覆等）在各类具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能等特征的碳素类材料（多孔碳、纳米碳管、纳米碳纤维、膨胀石墨、石墨烯和氧化石墨烯等）、导电高分子（聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANi)、聚丙烯腈(PAN)等）材料中，形成复合材料，以抑制循环过程中多硫化物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。这些复合方法不仅提高了硫正极的导电性，而且有效减缓了多硫化物向电解液的溶解。但是，这些载体材料的共同缺点是，载体材料的电导率不够高，载体材料与所负载的活性材料之间的结合强度低、界面稳定性差。而多孔金属材料（尤其是纳米多孔金属材料）除了可以具有碳素类材料和导电高分子相似的高比表面积、高孔隙率等优点外，还具有更高的导电率和对单质硫及硫化物更强的吸附作用。因此，多孔金属/硫（硫化锂）复合材料是一种高性能的锂二次电池正极（阴极）材料。

发明内容

本发明提出将多孔金属与单质硫或硫化锂复合，作为锂-硫电池的正极（阴极）材料，目的在于克服目前锂-硫电池活性物质利用率低、容量衰减过快、功率密度不高的缺点。

本发明还提供了一种含有多孔金属的锂-硫电池正极材料及其制备方法。

本发明的技术方案如下:

本发明提供的锂-硫电池正极材料是将多孔金属与单质硫或硫化锂复合。

所述的多孔金属可以为一种金属单质或者多种金属、非金属构成的合金，也可以为上述金属单质或合金与其它材料（例如化合物、高分子材料等）构成的复合材料。

所述的多孔金属为含金属元素Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、W、Pt、Au、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu之一或它们之间的组合；

优选金属为Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Sr、Y、Zr、Nb、Ru、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Ta、Mo、W、Pt、Au、Pb、Bi之一或它们之间的组合；

所述非金属元素为H、B、C、N、O、Si、P、S、As、Se、Te、F、Cl、Br、I之一或者它们之间的组合；

所述合金为上述金属间或上述金属与上述非金属间形成的合金。

所述的化合物为氧化物、氟化物、硫化物、氮化物、磷化物MX_y，其中M为上述的金属元素、非金属元素、金属元素间、或金属元素与非金属元素间的组合，X为上述的非金属元素及组合，y的取值在0.2-6之间；