[发明专利]基于科琴黑的锂硫电池硫基纳米正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池及其制备方法，尤其涉及一种基于科琴黑的锂硫电池硫基纳米正极材料及其制备方法。

背景技术

电动汽车和便携式电子产品的飞速发展迫切需要开发更高能量密度的锂离子电池。但受正极材料比容量的限制，其比能量很难再有较大提高，而且依靠提高充电电压以增高比能量的途径将存在安全问题，因而发展新的正极材料系势在必行。锂硫(Li-S)电池是以锂为负极(理论比容量3860mAh/g)、硫为正极(理论比容量1675mAh/g)的一种新型电化学储能系统，理论比能量可达2600Wh/kg，远大于现阶段的商业化锂离子电池，且硫在地球上储量丰富、廉价、低毒或无毒的特点使该体系极具商业价值。虽然Li-S电池的硫正极材料理论比容量很高，但仍需解决很多问题。首先，硫电导率很低，在室温下约为5×10^-30S/cm，作为电极材料时必须添加导电剂，因此会降低正极材料的能量密度；其次，电化学反应的中间产物多硫化锂易溶于电解液产生“穿梭效应”，降低硫的利用率和循环性能，且增加离子迁移阻力；同时，放电产物Li₂S₂和Li₂S会在硫电极表面沉积，形成固体电解质相界面薄膜(SEI)，导致硫利用率和循环性能下降；再次，硫正极在充放电过程中造成的体积反复剧烈变化会造成电池结构不稳定，导致循环寿命和比容量衰减。

为了解决锂硫电池多硫化物穿梭效应、硫导电性差、体积膨胀这三个主要问题，近些年来，学术界主要考虑将导电多孔材料作为硫的载体，例如将多孔活性炭，碳纳米管，石墨烯等碳材料与硫复合。但是这些材料中，活性炭的孔径较大，比表面积较小，一方面硫在这种活性炭中的颗粒较大，利用率不高，另一方面大孔难以充分抑制多硫化物的穿梭效应。碳纳米管，石墨烯和一些实验室中合成的多孔碳材料如CMK-3等虽然其孔径较小，比表面积较大，在相关报道中呈现出较高的比容量及较好的循环性，但是这些材料的价格普遍较高，且制备工艺复杂，不利于锂硫电池的广泛应用。

因此，开发一种低成本、大容量、长寿命的锂硫电池硫基纳米正极材料，在可以商业化应用的前提下，提高硫的导电性，抑制多硫化物的穿梭效应，已是目前形势所迫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低成本、大容量、长寿命的基于科琴黑的锂硫电池硫基纳米正极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于科琴黑的锂硫电池硫基纳米正极材料，包括硫纳米颗粒和科琴黑，所述科琴黑孔径为2nm-20nm，所述硫纳米颗粒位于科琴黑孔道内，硫基纳米正极材料中硫与科琴黑的质量比≥1。

上述的锂硫电池硫基纳米正极材料，优选的，所述科琴黑颗粒大小为30nm～100nm；科琴黑比表面积为800m²/g～1400m²/g。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的锂硫电池硫基纳米正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将科琴黑、表面活性剂、超纯水与酸混合并分散均匀，形成溶液A；

(2)将含硫化合物和表面活性剂溶于水并分散均匀，形成溶液B；

(3)将所述溶液B通过蠕动泵逐滴加入所述溶液A中进行反应，蠕动泵的转速为0.5-1r/min，反应时间为10～20h，形成锂硫电池硫基纳米正极材料前驱体；

(4)将所述锂硫电池硫基纳米正极材料前驱体用超纯水洗至中性，然后过滤、烘干，即得到所述基于科琴黑的锂硫电池硫基纳米正极材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，酸为甲酸、乙酸、盐酸、硝酸、硫酸、柠檬酸和草酸中的一种或几种；所述科琴黑的型号为EC300、EC600JD、ECP300和ECP600JD中的一种或几种。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)和步骤(2)中，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、曲拉通和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，科琴黑、表面活性剂与水的质量比为0.1-0.4∶1-5∶100-500。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，含硫化合物为多硫化钠或硫代硫酸钠；含硫化合物和表面活性剂的质量比为0.5-5∶1-5。

上述的制备方法，优选的，所述含硫化合物和所述科琴黑的质量比为2-5∶0.1-0.4；所述酸与含硫化合物的摩尔比＞2。