[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池的制备方法，所述正极材料以碳纳米管和还原氧化石墨烯为基底，在其上生长一层ZIF8颗粒，然后与硫进行复合作为锂硫电池用正极材料。所述复合材料不仅能够解决硫导电性差的问题，其超高的比表面积和ZIF8能够有效地对多硫化锂进行吸附和转化，促进电极中的氧化还原反应，从而达到抑制多硫化物的“穿梭效应”，提高了锂硫电池的电性能。

技术领域

本发明的技术方案涉及一种以RGO和CNT为基底的锂硫电池正极材料制备方法，属材料化学领域。

背景技术

高能量密度的二次电池在现代人类社会的发展中具有重要意义和巨大价值。随着电动汽车和其他便携移动设备的快速发展，消费者迫切需要一种具有高能量密度和良好循环性能的高能量密度二次电池，来进一步满足高效便捷生产生活的需要。

在众多的二次电池体系中，锂硫电池以单质硫和金属锂为正负极活性物质具有突出的优势。在电池的使用过程中，硫在0价和-2价之间进行氧化还原反应，这样的多电子转换反应使得硫正极具有很高的比容量，理论比容量高达 1672mAh/g，远远高于传统锂离子电池正极材料的比容量。同时，硫在自然界中的储量丰富，价格低廉，这使得锂硫电池有望成为廉价的大规模储能技术。相对于锂空气电池等其他高能量密度电池体系，锂硫电池是封闭体系，避免了电池系统暴露空气的污染，具有较低的潜在爆炸危险。因此，锂硫电池有望成为下一代广泛应用的高能量密度二次电池。

然而，锂硫电池的应用目前还存在着许多需要解决的问题。首先锂硫电池的正极材料为单质硫，而单质硫的导电性极低，在常温下固体之间的反应难以进行，因此，需要将其与导电材料进行复合，来提高材料整体的导电性，其次使用能够溶解多硫化物的电解液体系，利用可溶性中间产物多硫化物来控制活性物质固相间的转换，使得电极材料能够充分反应。然而多硫化物的可溶性又带来了新的问题。多硫化物溶解在电解液中，能够穿透隔膜，在锂负极发生氧化还原反应，造成“穿梭效应”。多硫化物的穿梭效应不仅加剧了电池容量的迅速衰减，还使得其充放电效率低和自放电问题等。同时，硫的反复沉积也导致正极电极结构的剧烈变化，多硫化物在负极界面的反应也造成了活性物质的不可逆沉积和界面稳定性的破坏。

为了解决上述问题，推动该体系的实用化发展，大量的研究和发明针对电池的正极、电解液和隔膜进行了优化。其中对于电池正极材料的改进性和制备发展最为迅速，并且具有突出的优势。多硫化物的产生主要是在正集电极，通过将能够束缚多硫化物的材料与硫进行复合，不仅能够提高正极材料的导电性，更能够迅速有效地吸附多硫化物，并对其进行转化。常用的复合材料主要有碳基复合材料和金属氧化物材料，将它们与活性物质硫进行复合后，通过吸附或阻挡作用，对硫化物的扩散进行有效地抑制，对提高电池的比容量，改善循环性能有一定的作用。但这些工艺对多硫化物转化和调控能力仍然是很有限的。

近年来，多种金属有机骨架由于其很高的比表面积和对多硫化物的吸附作用，开始被应用于锂硫电池中，用于抑制多硫化物的穿梭效应，但金属有机骨架大部分导电性很低，与硫进行复合组成正极材料后，不能改善正极材料导电性差的问题，对提高锂硫电池的比容量和循环性能效果并不理想。基于以上分析，若能将导电碳基材料和金属有机骨架进行结合，使其负载于导电碳基材料上，可以有效地解决现有的问题。负载于导电碳基材料上的金属有机骨架能够有效地对多硫化物进行吸附，并促进其电化学反应，同时碳基材料能够有效改善电极材料的导电性，因此电池活性物质的转化、反应和沉积将大大优化，库伦效率、比容量、循环稳定性即有较大提升，高载量和高倍率的充放电下亦有较好的循环能力。

发明内容

针对当前技术存在的不足，本发明提出一种以碳纳米管和还原氧化石墨烯为基底，在其上生长一层ZIF8颗粒，然后与硫进行复合作为锂硫电池用正极材料及其制备方法，用来解决现有锂硫电池高载量和大倍率循环时存在的问题。制备出的RGO-CNT/ZIF8复合材料与硫进行结合作为锂硫电池的正极材料，不仅能够解决硫导电性差的问题，其超高的比表面积和ZIF8能够有效地对多硫化锂进行吸附和转化，促进电极中的氧化还原反应，从而达到抑制多硫化物的“穿梭效应”。