[发明专利]一种金属掺杂氧化硅分子筛/硫碳复合物的制备方法

说明书

一种金属掺杂氧化硅分子筛/硫碳复合物的制备方法，它涉及一种纳米复合材料的制备方法。本发明的目的是要解决现有以多孔碳材料和多孔氧化物材料作为基础载体材料制备硫正极材料存在不能有效限制多硫化物的溶出，导致电池容量迅速降低及多孔金属氧化物制备困难耗能大的问题。制备方法：一、制备金属掺杂氧化硅分子筛；二、制备嵌硫金属掺杂氧化硅分子筛；三、浸渍碳材料，得到金属掺杂氧化硅分子筛/硫碳复合物。金属掺杂氧化硅分子筛/硫碳复合物作为正极材料用于制备锂硫电池的正极。

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料的制备方法，特别涉及一种适用于锂硫电池正极材料的纳米复合材料的制备方法。

背景技术

可再充Li-S电池具有高的理论比能量密度，是插层反应锂离子电池的3～5倍，Li-S电池很可能是下一代储能系统的发展方向，尤其对于大规模的应用，具有广阔前景。然而限制其广泛应用的因素仍然存在，例如高内阻、自放电现象、循环容量迅速衰退等导致高的理论能量密度与实际能量密度有很大差异。要改善这些问题，可以通过设计新型的具有优异结构的S电极的方式。

锂离子电池经过20多年的研究发展，已经达到了能量密度的极限，一般来说，插层材料的容量不会超过300mA·h·g^-1。纯锂电池电动汽车最大行程也只能达到300km，使电动汽车的发展受到了限制，大规模、高能量密度、经济的储能系统亟待开发。1962年，Herbet和Ulam首次将元素S用做阳极电极材料，因为S具有很多优异性能，如化学当量小、价格便宜、无毒性。对于碱金属-S电池已经有过很多研究，例如可以在温度为300～350℃和室温下工作的Na-S电池。LI-S电池总的反应方程式为：S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S，平均电压是2.15V对应于Li⁺/Li，是现有插层阳极材料电压的1/2～2/3，理论容量是1672mA·h·g^-1，在固态阳极材料中是最高的，因此相对于常见的锂离子电池，Li-S电池很有可能以最低的成本获得最大的能量密度。理论上它的能量密度和体积密度可以达到2500W·h·kg^-1和2800W·h·L^-1。

Li-S电池最早形成是在1960年，阳极采用的是S加导电体加粘结剂，有机电解质把两极分割开来。这种模型也为随后的研究提供了平台。在电解质中，S电极主要经历3个过程，在高电位下，发生的是S⁰→S^0.5-的转变，形成了可溶的多硫化物离子S₄^2-。由于反应分子的属性，这一过程非常迅速，然后是S^0.5-→S^1-的转变，这个过程会形成不可溶的Li₂S₂固体。第三阶段是L_i2S₂向Li₂S的转变，也是最难进行的一步，因为这个过程需要固相的传输，所以相对较慢。放电过程却只需要一步氧化即可完成，最终产物是S₈^2-。需要注意的是，在充电过程中，S活性物质会膨胀，因为Li₂S密度较小，而在放电过程体积又会减小，这点在实际设计过程中是需要注意的。