[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属锂硫电池技术领域，具体为一种锂硫电池正极材料及其制备方法。本发明主要采用水热法及高温煅烧制备石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物，并进一步采用升华法负载硫。石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒的复合材料具有三维孔洞结构，作为锂硫电池正极中容纳活性物质硫的材料；该电极材料装配的锂硫电池，可解决硫正极及放电产物的固有绝缘性、充放电过程中体积变化大以及多硫化物溶解至电解液中导致的“穿梭效应”等问题，从而提高锂硫电池的比容量，降低充放电过程中的极化，增强其循环稳定性和寿命，全面改善锂硫电池的电化学性能。本发明制备方法工艺简单，成本低廉，易于推广。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

近几十年来, 以金属锂为基础的电池主导了高性能电池的发展。金属锂的电化学容量虽然高达3860 mAh/g，但大部分锂离子电池正极材料的电化学容量只有200 mAh/g左右, 锂离子电池的发展极大地受到了其正极材料的制约。与锂离子电池不同，近年来，硫作为正极，锂作为负极的锂硫电池，以其超高的理论比容量（1675 mAh/g）和理论比能量（2600Wh/kg）而受到业界越来越多的关注。

单质硫是一种非常具有应用前景的正极材料，在目前已知的二次锂电池正极材料中具有最高的理论比容量（锂氧电池除外），并且硫的储存量丰富、价格低廉、无毒并且环境友好。此外，相比于工作电压为3.5-4 V的过渡金属氧化物正极材料，其较低的工作电压（~2.1 V）更为安全。尽管如此，目前仍有一些问题严重制约着硫正极的实用化进程，例如，硫及放电产物的绝缘性、中间产物多硫化物在有机电解液中的溶解穿梭而导致的活性物质流失，以及充放电过程中硫的体积变化对电极材料造成的破坏。为了克服这些问题，各种具有特殊形貌的导电碳骨架被广泛引入到硫基复合材料中。碳材料不仅具有良好导电性，还具有大孔容和高比表面积，一方面与硫复合提高了硫基材料的导电性，另一方面，其具有的大孔容提供了硫变成Li₂S₂/Li₂S所需要的体积空间，缓解了充放电过程中硫体积的膨胀和收缩，而大比表面积的特性有助于物理吸附住部分中间产物多硫化物，减少中间产物向电解液中的溶解，从而提高了锂硫电池的活性物质利用率，改善了电池的容量和循环性能。但是，单纯的碳基材料对多硫化物的限制作用只限于物理吸附并不能大力改善锂硫电池中的“穿梭效应”，故而在碳基材料复合可与多硫化物产生化学吸附作用的氧化物等物质可作为一种更为有效的手段。

发明内容

为了解决锂硫电池中现存的一些固有问题，本发明的目的在于提供一种可提高比容量和倍率性能，降低充放电过程极化，增强循环稳定性和使用寿命的锂硫电池正极材料的制备方法。

本发明提供的锂硫电池正极材料，以三维石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒的复合材料作为容纳材料，容纳活性物质硫而得到。该锂硫电池正极材料装配为锂硫电池后，可以解决硫正极固有绝缘性，充放电过程中体积变化以及多硫化物溶解至电解液中导致的“穿梭效应”等问题，从而提高锂硫电池的比容量和倍率性能，降低充放电过程中的极化，增强其循环稳定性和寿命。

本发明提供的锂硫电池正极材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）制备石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物，采用水热法及高温煅烧法

向氧化石墨烯分散液中加入硫酸钛和葡萄糖，超声使其充分溶解并混合均匀；接着将此混合液转移到水热釜中进行水热反应，得到棕黑色气凝胶，将所得产物洗涤后进行冷冻干燥，然后进行高温煅烧，即得石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物；

（2）制备石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物硫正极材料，采用升华法

将制得的石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物与升华硫粉共研磨至其混合均匀；然后将混合物在氩气保护下升温至150-160 ℃，保持10-15小时；自然冷却至室温，取出灰黑色粉末，即为石墨烯气凝胶负载二氧化钛纳米颗粒复合物硫正极材料。