[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。该正极材料为四氧化三钴双层空心球‑碳纳米管‑硫复合材料。该正极材料在高电流密度下获得更高的比容量，拥有良好的循环寿命。所述制备方法使用喷雾干燥的方式对四氧化三钴双层空心球进行碳纳米管包覆，能够达到最佳的包覆效果，同时提高了材料的导电性，通过碳纳米管的包覆支撑，也增强了四氧化三钴球的结构稳定性，使得材料拥有最佳的吸附效果。

技术领域

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池是以硫元素作为正极、金属锂作为负极的一种锂电池，其比容量高达1675mAh/g，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(＜150mAh/g)。在理论上，同样重量的锂硫电池能够为电动汽车提供三倍于目前普通锂离子电池的续航时间。另外硫是无污染的环境友好元素，其储量丰富，重量轻且便宜，是一种极具前景的锂硫电池材料。

锂硫电池的充放电原理为：放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh/g。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li₂S)时，相应的理论放电质量比能量为2600Wh/kg。

锂硫电池的应用主要存在三个问题：锂与硫的反应产物锂多硫化合物溶于电解液，不利于电池的循环应用；硫的不导电性，不利于电池的高倍率性能；硫在充放电过程中，体积的变化非常大，有可能导致电池损坏。

现有技术中有采用气相沉积法在四氧化三钴表面沉积一层碳纳米管，用于改善四氧化三钴导电性差的问题，但是电化学气相沉积是在高温条件下进行的，而且在沉积过程中，四氧化三钴球的结构极易遭到破坏，造成最终产物的堆积，减少了最终产物的比表面积。

CN201210456025公开了一种四氧化三钴带核纳米空心球材料及其制备方法，在该发明中，合成的材料外壳为四氧化三钴薄层，内层为四氧化三钴实心球体，而且合成的壳核结构尺寸较大，内层四氧化三钴实心球的直径达到了500nm左右。四氧化三钴虽然能够有效地吸附转化多硫化物，但是其本身的导电性较差，因此该发明合成的四氧化三钴带核纳米空心球并不能够改善锂硫电池正极材料导电性差的问题，同时内层实心球的四氧化三钴只有表层能够起到吸附作用，材料的利用率受到很大的影响。

CN201310160823公开了一种锂离子电池用四氧化三钴多壳层空心球负极材料及其制备方法。该发明应用的领域为锂离子电池，但是当该材料应用到锂硫电池中时，仍然不能够解决正极材料电子导电性差的问题，很难提升正极材料的利用率。因此该材料并不适合应用于锂硫电池中。而且该发明中首先用蔗糖来制备碳球材料，而后采用酸化碳球来制备多壳层四氧化三钴空心球，实验步骤繁琐，商业化成本也会相对较高。

CN201910172793公开了一种硫-四氧化三钴-二硫化钴-二硒化钴复合钠硫电池正极材料。在该发明中，首先合成了四氧化三钴双层空心球体，然后通过硫化和硒化的方式合成一种四氧化三钴-二硫化钴-二硒化钴空心材料。合成的该材料虽然拥有较多的相组成，提供较多的活性位点，但是第一步合成的四氧化三钴双层壳层结构厚度较薄，经过了在管式炉中的硫化以及硒化过程，很容易导致成壳层结构的破坏，使得最终得到的产物形貌严重破坏，产物堆积严重，反而减少了电极材料的反应活性面积，不利于储存活性物质，同时不能够有效地缓解循环过程中所带来的体积膨胀，因此只能够有限地提升钠硫电池的相关性能。

因此如何解决上述问题成为锂硫电池应用于实际的关键技术。

发明内容