[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体地涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会对能源需求量的与日俱增，以及石油燃料等的枯竭，使得人们对新型替代性能源的需求越来越迫切。传统的锂离子电池由于其能量密度很难突破300Wh/kg，限制了其在纯电动汽车领域的大规模推广应用。单质硫的理论比容量也可以达到1680mAh/g，与锂形成锂-硫电池的理论比容量可以高达2600Wh/kg。同时，由于硫的储量丰富，廉价，并且对环境无污染，为一种很有应用前景的新型二次电池。但为，由于硫的稳定性差，在放电过程中由于多硫化物的产生以及溶解于电解液中，导致活性物质的大量流失以及电极容量的急剧衰减。另外，这些多硫化物还会在正极和负极表面上沉积和团聚，破坏了电极结构，严重的时候会导致电池的失效。

为了改善多硫化物的溶解，目前最常用的方法为对硫单质进行碳包裹或为聚合物包裹，这种方法能够较好地阻止多硫化物的溶解，但为最后所得活性物质即硫的负载量通常都比较低，从而导致实际电极容量与理论容量有较大差异。另外这种物理包裹的方法还有一个缺陷就为容易限制活性物质硫单质的快速充放电。

为了进一步改善多硫化物溶解的问题，我们有必要寻找其他新的材料和方法来限制多硫化物溶解的问题，以期提高锂硫电池的实际性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用。

在本发明第一方面中，提供了一种纳米材料，所述材料具有以下特征：

(i)所述材料为Fe₂O₃纳米颗粒；

(ii)所述纳米颗粒为立方体形状，且颗粒尺寸为300～500nm；

(iii)所述材料为多孔结构，且颗粒的孔径分布为1～10nm。

在本发明第二方面中，提供了本发明第一方面所述纳米材料的制备方法，包括：

方法(一)，所述方法包括以下步骤：

(a)将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、盐酸和亚铁氰化钾进行反应后，对反应混合物进行分离，得固体颗粒；

(b)将步骤(a)的固体颗粒煅烧，得到所述的纳米材料；

或方法(二)，所述方法包括以下步骤：

(a')将铁氰化钾(K₃Fe(CN)₆)和葡萄糖的混合水溶液进行反应后，对反应混合物进行分离，得固体颗粒；

(b')将步骤(a')的固体颗粒煅烧，得到所述的纳米材料。

在另一优选例中，在步骤(a)或步骤(a')中，所述反应在50～150℃下进行；和/或所述反应进行2～24h。

在另一优选例中，在步骤(a)或步骤(a')中，所述反应在70～100℃下进行；和/或反应进行8～15h。

在另一优选例中，在步骤(a)或步骤(a')中，所述分离包括离心、洗涤(如用水或乙醇洗涤)或其组合。

在另一优选例中，

步骤(a)中，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、盐酸和亚铁氰化钾的摩尔比为10～1：4000：1；优选为3～5：4000：1；

步骤(a')中，铁氰化钾(K₃Fe(CN)₆)和葡萄糖摩尔比为1-50：1-1000；优选为1：100。

在另一优选例中，在步骤(b)或步骤(b')中，在煅烧前还包括对固体颗粒进行干燥的步骤。

在另一优选例中，在步骤(b)或步骤(b')中，煅烧温度为500±20℃。

在另一优选例中，在步骤(b)或步骤(b')中，煅烧温度为500±10℃。

在本发明第三方面中，提供了一种硫正极材料，所述硫正极材料包括导电集流体和涂覆于所述导电集流体上的导电涂层，所述导电涂层包括：活性组分、导电碳黑和黏结剂，其中，所述活性组分包含本发明第一方面所述的纳米材料和单质硫。

在另一优选例中，所述导电集流体选自：铝膜、镍膜。

在另一优选例中，所述黏结剂选自：聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠(CMC)。

在另一优选例中，按活性组分总重量计，所述纳米材料的质量百分比为1～10%，优选为3～7%。

在另一优选例中，所述纳米材料与单质硫的质量比为1～10：90～99；优选为5：95。

在另一优选例中，活性组分、导电碳黑和黏结剂的质量比为6～8：1～3：1。

在本发明第四方面中，提供了本发明第三方面所述硫正极材料的制备方法，包括以下步骤：