[发明专利]一种用于锂硫电池正极材料的单晶介孔Mo3

说明书

本发明涉及一种用于锂硫电池正极材料的单晶介孔Mo₃N₂的制备方法，所述方法首先通过水热法制备单晶MoO₃纳米线，再以单晶MoO₃纳米线为起始材料，采用拓扑反应法制备了高比表面的单晶介孔Mo₃N₂纳米结构。氮化钼存在大量孔隙，提高载硫量，并抑制穿梭效应的效果。氮化钼在显著提高正极材料载硫量的同时，有效解决了锂硫电池的体积膨胀效应问题。采用无毒害的反应物以及操作简单的水热法和拓扑反应法，通过载入无毒无害的升华硫粉用于锂硫电池正极材料制备，在环境保护、工业生产和产品，应用方面具有显著优势。

技术领域

本发明涉及活性材料，具体地说是一种用于锂硫电池正极材料的单晶介孔Mo₃N₂的制备方法。

背景技术

由于传统锂离子电池的放电容量有限，特别是在电动汽车领域，已经不能满足绿色产业发展的新要求。在这种情况下，重要的是考虑新的活性材料，以建立更有效和更便宜的能源储存系统。与锂离子电池相比，锂硫电池具有成本低、能量密度高、性能优越等优点。单质硫具有最高的比容量，在锂硫电池中，其理论比容量高达1675mAh/g，理论比能量为2600Wh/kg，比传统锂离子电池中的LiCoO₂等正极材料要高5倍。另外，硫是地壳中第十丰富的元素，因此硫的利用率和成本都较高，且硫的毒性低，可操作温度范围广，锂硫电池已成为当前国际研究热点，是未来新型储能系统的理想选择。

但是，要使锂硫电池在日常生活中充分发挥其潜力，我们似乎还有很长的路要走，其中的障碍首先是由于硫的体积变化和绝缘性，从固体S转化为Li₂S放电产品导致80％的体积膨胀。因此，载硫材料应具有适当的孔隙率，以适应较大的体积变化，避免阴极粉化，而且元素硫和固体Li₂S₂/Li₂S具有较低的离子和电子导电性，导电添加剂或寄主是维持阴极电子转移的必要条件。其次是LiPSs的穿梭效应。溶解的长链LiPS介导扩散到电解液中，穿过分离器进入金属Li阳极区。“梭形效应”导致活性硫的损失、金属锂表面的钝化和自放电，最后是由于其缓慢转化反应动力学。固体元素S在放电结束时转化为可溶性长链LiPSs，再转化为固体Li₂S是一个复杂的、缓慢的化学反应过程。因此，硫物种转化的反应动力学影响着锂硫电池的容量利用和整体电化学性能。要解决这些相互关联的问题，开发新型锂硫电池正极材料、提高电极材料中活性物质的利用率至关重要。

一般情况下，活性炭、碳纳米管、介孔碳、石墨烯等比表面积高、多孔结构丰富、孔容大、导电性好的碳材料被认为是实现高性能硫阴极的关键材料。然而，考虑到长期的循环和速率性能，碳宿主本身很难满足上述所有要求。由于碳在自然界中是非极性的，它不能有效地捕获高极性和离子性的聚硫醚。近年来，原子掺杂为解决这一问题提供了丰富吸附位点和较强的化学吸附能力。TiO₂、MnO₂等金属氧化物在锂电池阴极中表现出较强的聚硫化物亲和力和较高的保留容量。这些金属氧化物通常具有较高的导电率，降低了电极动力学。因此，我们用单晶氧化钼纳米线制备了具有高表面积和均匀孔径分布的介孔氮化钼纳米结构材料。

已有研究表明，将硫与导电材料偶联是提高正极材料性能的有效途径。氮化钼纳米材料的孔隙结构、杂原子修饰、电导率等对其电化学性能有显著影响。介孔结构的主要优点是具有电化学活性的表面积和控制纳米尺度的孔径。例如，介孔氮化钼既能够提供大孔来储存硫，又能够提供微孔进行物理约束，有利于提高硫的利用率并抑制多硫化物的溶解。同时氮化钼对多硫化物具有很强的化学结合作用，可以很好的吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭效应。因此利用具有多孔结构的氮化钼可以改性锂硫电池，提高硫单质的电化学活性，缩短电子与离子传输路径，限制多硫化物的溶解，进而提高锂硫电池整体性能的研究得到发展。

发明内容