[发明专利]一种花状多孔八硫化九钴载硫复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种花状多孔八硫化九钴载硫复合材料及其制备方法。其技术方案是：按溶液浓度为10～25kg/m³配料，搅拌，即得溶液Ⅰ。按钴盐︰硫脲的物质的量比为1︰2配料，搅拌，即得溶液Ⅱ。将溶液Ⅱ移到反应釜中，在160～220℃保温，取出，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥，得到干燥后的产物，再置于管式炉中，在保护气氛和450～750℃保温，冷却，制得花状多孔八硫化九钴材料。按花状多孔八硫化九钴材料︰升华硫的质量比为1︰(1～5)配料，研磨，在氩气气氛和180～200℃条件下保温，冷却，制得花状多孔八硫化九钴载硫复合材料。本发明操作方便和易于工业化生产，所制制品结构稳定性好、循环性能优异和倍率性能良好。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料技术领域。具体涉及一种花状多孔八硫化九钴载硫复合材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池因其具有理论比能量高达2600Wh kg^-1(体积能量密度可达2800Wh L^-1)而备受科研工作者的关注。锂硫电池是以单质硫或者含硫化合物为正极、以金属锂片为负极、通过硫与锂之间的转化反应的一种新型高能量密度的锂二次电池。此外，该电池所使用的原料来源丰富，环境友好。以上这些突出的优点使其最有可能成为下一代锂离子电池的主流产品。

尽管锂硫电池具有诸多优点，但也存在以下主要缺点：①单质硫和Li₂S/Li₂S₂是室温下离子和电子的绝缘体，这导致硫正极的导电性差，活性物质利用率低；②锂硫电池中间放电产物Li₂S_n(4≤n≤8)极易溶解在有机电解液中，由于浓度梯度的存在，能够穿过隔膜到达负极，在负极与锂反应生成Li₂S/Li₂S₂以及短链聚硫化锂。后续穿梭到负极的长链聚硫化锂还会与Li₂S/Li₂S₂发生反应，生成短链聚硫化锂，随后这些短链聚硫化锂再返回正极被再次氧化，即所谓的“穿梭效应”。穿梭效应是影响锂硫电池循环性能与库仑效率的关键问题；③锂硫电池的充放电反应过程伴随着巨大的体积变化，巨大的体积变化会使电极材料的结构发生粉碎，导致活性材料与金属集流体发生脱离，加速循环过程中容量衰减。

对于上述问题，目前主要的解决手段是对硫材料进行改性，将硫与导电材料复合，主要应用的是具有高比表面积与高孔隙率的导电碳材料以及致密的高分子聚合物包覆层对多硫化物进行物理限制。然而，作为单纯的物理屏障，非极性的碳基材料与极性多硫化物分子之间的作用力非常有限，仅能减缓多硫化物向电解液中的流失速度，最终多硫化物仍然从碳骨架上脱离并迁移出正极材料，从而造成长期循环过程中出现持续的容量衰减。

为提升锂硫电池循环稳定性，大量与硫及多硫化物具有强化学结合作用的载体材料被引入，如金属氧化物、氧化石墨烯、元素掺杂碳材料以及金属硫化物等。这些材料在对多硫化锂具有基本物理限制作用的同时，还具有额外的强化学吸附作用：通过“极性-极性”相互作用与Li⁺或聚硫离子S_n^2-形成化学结合，达到将多硫化物固定的目的。