[发明专利]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为钴酸盐（钴酸镁、钴酸镍、钴酸铜和钴酸锌）和硫单质形成的复合材料，所述的硫单质的含量为60~90 wt%。本发明提供的钴酸盐对多硫化物具有极强的吸附作用，可以有效抑制多硫化锂在醚类电解液中的溶解，减缓电池充放电过程中的穿梭效应，降低锂硫电池的容量衰减，提高电池寿命。本发明提供的锂硫电池在0.1 C电流下，初始放电容量为955 mAh/g(按复合材料计算)，100次循环后容量为722 mAh/g，容量保持率为75.6%。

技术领域

本发明涉及锂硫电池，特别是锂硫电池正极材料及其制备方法，以及采用该正极材料的锂硫电池。

背景技术

化学电源（电池）可以实现化学能与电能之间的相互转化，其中Zn-MnO₂电池为一次电池，铅酸电池、镉镍电池和锂离子电池为二次电池。目前应用最为广泛的是锂离子电池，但是其极限质量能量密度为300 Wh/kg，已经不能满足人们的需求，开发新型高能量密度的二次电池体系势在必行。从电化学角度考虑，多电子反应体系是构建高比能二次电池的基础。单质硫是一种轻质、丰富、价格低廉的物质，在理论上可以与锂金属实现两个电子转移的化学反应，其理论比容量为1672 mAh/g，理论能量密度高达2600 Wh/kg。锂硫电池极具发展潜力，是近年来高能量密度二次电池领域的研究重点。

虽然锂硫电池具有高能量密度的巨大优势，但锂硫电池始终存在一些难以解决的问题：正极材料的导电性差，多硫化物的穿梭效应和硫正极的体积效应。为了改善这些问题，近年来的研究重点集中在硫的分散固定方式上，即将硫与各种材料形成复合材料构筑硫正极。这些复合材料主要包括硫-碳复合、硫-聚合物复合、硫-氧化物复合以及硫-碳-聚合物多重复合等。但是这些复合方法始终存在一些问题，如碳和聚合物的引入会降低正极材料的体积能量密度度。

需要指出的是，金属氧化物对多硫化物具有较强的吸附作用，可以有效提高锂硫电池的循环稳定性，也可以提高锂硫电池的体积能量密度，是一种较为理想的硫载体。

发明内容

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，达到减缓多硫化锂在醚类电解液中的溶解和穿梭，从而提高锂硫电池的循环性能的目的。

根据本发明的一个方面，提供一种锂硫电池正极材料，它是由钴酸盐MCo₂O₄与硫单质形成的复合材料，其中，M选自Mg、Ni、Cu或Zn中的一种，所述的硫单质含量为60~90 wt%。

根据本发明的另一方面，提供以上所述的锂硫电池正极材料的方法，包括：

步骤（一），钴酸盐MCo₂O₄的制备，其中，M选自Mg、Ni、Cu或Zn中的一种：

（1）去离子水和无水乙醇配成混合溶液；

（2）称取乙酸钴和钴酸盐，溶于步骤（1）所得混合溶液，搅拌溶解；

（3）步骤（2）所得混合溶液中加入浓度为25%的氨水；

（4）将步骤（3）所得溶液转移至水热反应釜中反应，水热反应的温度为100~250 °C，时间为10~30 h；

（5）将步骤（4）水热反应产物用去离子水和乙醇离心清洗，干燥；

（6）将步骤（5）干燥后的产物置于马弗炉中煅烧，煅烧温度为450~550 °C，时间为2~4 h，得到钴酸盐；

步骤（二），钴酸盐MCo₂O₄与硫单质复合，

（1）配制浓度为10~50 mg/mL的硫的二硫化碳溶液；