[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池

说明书

本发明提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池。本发明提供的锂硫电池正极材料包括碳空心球、附着于所述碳空心球内外表面的纳米二氧化钛以及填充于所述碳空心球中的硫单质，所述硫单质的质量含量为60～80％。实验结果表明，本发明提供的锂硫电池正极材料制备的锂硫电池在1C下，200次循环后放电容量仍保持691mAh·g^‑1，300次循环后放电容量仍保持671mAh·g^‑1，库伦效率保持在97％左右；4C高倍率循环下，放电容量仍能保持527mAh·g^‑1，再次回到1C时，放电容量仍可保持1042mAh·g^‑1。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，特别涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池。

背景技术

随着汽车产量的日夜增长，石油资源的逐渐枯竭，环境污染的日趋严重，急需开发可再生能源代替此前能源供应体系，尤其是电化学储能体系。锂离子电池是目前综合性能最好的二次电池体系，经过世人近二三十年的努力研究，锂离子电池正负极材料的容量均已接近其理论极限，然而仍难以满足储能系统日夜渐长的需求。因此，需要研制新的能量密度的电极材料来满足社会的动力需求。

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为电池负极的一种锂电池，其理论比容量和比能量都较高，分别为1672mAh/g和2600Wh/kg。其中单质硫地球储量丰富，价格低廉，环境友好等优点。但锂硫电池存在三个严重的问题：(1)硫导电性非常差，其反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S是绝缘体，不利于电池高倍率性能；(2)锂硫电池的中间放电产物多硫化合物会溶解到电解液中，而降低离子导电性，其在正负极间的迁移，会导致活性物质的损失；(3)硫在充放电过程中，体积变化大，易损坏电池。

为了解决上述问题，对正极硫的改性显得尤为重要。现有技术主要是将硫与导电的基体材料复合，比如：导电碳材料(多孔碳、碳纳米管、石墨烯或氧化石墨烯)、高分子聚合物(聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或聚乙烯二氧噻)以及金属氧化物材料(MnO₂、ZnO、Ni(OH)₂、Mg_XNi_1-XO或TiO₂)，通过导电材料赋予正极导电性，抑制硫化物穿梭效应，从而提高电池的循环性能和倍率性能。但是，上述技术方案中的正极材料对于多硫化物的溶解和穿梭效应的抑制作用有限，对于锂硫电池的循环性能和倍率性能的改善效果并不明显。

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锂硫电池。本发明提供的锂硫电池正极材料能够有效抑制硫的体积变化以及多硫化物的溶解和穿梭效应，从而提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

本发明提供了一种锂硫电池正极材料，包括碳空心球、附着于所述碳空心球内外表面的纳米二氧化钛以及填充于所述碳空心球中的硫单质，所述硫单质的质量含量为60～80％。

优选的，所述碳空心球的内径为150～350nm，外径为200～400nm。

优选的，所述锂硫电池正极材料的粒径为250～450nm。

本发明还提供了上述技术方案所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米二氧化硅悬浮液与纳米二氧化钛混合，得到混合悬浮液；

(2)向所述步骤(1)得到的混合悬浮液中依次加入表面活性剂、酚类、甲醛和催化剂，缩聚反应得到第一前驱体；

(3)将所述步骤(2)得到的第一前驱体与混合溶剂混合，加入正硅酸四乙酯，水解反应得到第二前驱体；

(4)将所述步骤(3)得到的第二前驱体煅烧后进行刻蚀，得到二氧化钛-碳空心球复合物；所述二氧化钛-碳空心球复合物包括碳空心球和附着于所述碳空心球内外表面的纳米二氧化钛；