[发明专利]多孔氮化硼纤维/多壁碳纳米管/硫复合型锂硫电池正极材料

说明书

本发明为多孔氮化硼纤维/多壁碳纳米管/硫复合型锂硫电池正极材料，该正极材料包括多孔氮化硼纤维和多壁碳纳米管相互缠绕的结构，这种相互缠绕的结构能够包覆缠绕升华硫。所述多孔氮化硼纤维的直径和长度分别为50～100nm和10～20μm，多孔氮化硼纤维表面孔隙的直径小于10nm。这种相互缠绕的多孔结构能有效吸收电解质，有助于将可溶的多硫化物固定在正极区域，从而防止其扩散到负极，降低活性硫的损失，提高了循环稳定性。同时能有效抑制多壁碳纳米管的团聚，且多孔氮化硼纤维的空位缺陷对局域电子结构有很大影响，空位附近的原子将非常活跃，能有效的催化在空位附近的多硫化物从Li₂S₈向Li₂S的转换，从而能够有效的抑制多硫化物的穿梭效应。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料，具体涉及一种多孔氮化硼纤维/多壁碳纳米管/硫复合型锂硫电池正极材料。

背景技术

锂离子电池是以锂插层电化学为基础的储能设备，自20世纪90年代成功推出以来，一直主导着便携式电子、电器设备能量源的市场。目前，锂离子电池的最高能量密度已接近极限，但无法满足新兴电动汽车、混合电动汽车以及下一代便携式电子设备的迫切要求，其需要获得更高能量密度的先进电池体系。顺应时代的发展，锂硫电池的研究和发展让人类看到了未来先进能源的前进方向，是未来能源领域热门课题。

锂硫电池，以丰富的元素硫为正极材料，与锂离子电池的插层电化学不同，锂硫电池涉及多电子转移电化学，根据S₈+16Li⁺+16e^-＝8Li₂S的转化反应，理论比容量为1675mAh·g^-1，电池平均电压为2.2V vs Li⁺/Li，Li-S电池的比能量密度的理论值是2600Wh·kg^-1，这是商用锂离子电池(LiCoO₂/石墨电池为387Wh·kg^-1)的五倍。由锂硫电池制造商估计，未来的锂硫电池预期将具有实用的能量密度为400-600Wh·kg^-1，是目前最先进的锂离子电池的两倍。

然而，锂硫电池存在着体积膨胀和所谓的“穿梭效应”等问题，阻碍了锂硫电池的实际应用。穿梭效应是由可溶性多硫化物中间产物通过膜扩散到负极而产生的，它破坏了负极的固体电解质边界膜(SEI)，导致电池的电化学性能下降。

为了克服上述障碍，纤维和多孔材料引起了人们的注意。由于纤维和多孔材料可以适应正极的体积变化，提高对多硫化物的吸附性能，Zhao et al.(Zhao,D.Qin,S.Wang,G.Chen,Z.Li,Electrochim.Acta 2014,127,123–131.)和Zhou et al.(G.Zhou,L.Li,C.Ma,S.Wang,Y.Shi,N.Koratkar,W.Ren,F.Li,H.-M.Cheng,Nano Energy 2015,11,356–365.)将碳纤维和多孔碳材料运用于正极材料中，但其工艺过程复杂，材料成本昂贵，阻碍多硫化物的穿梭效应有限，且碳材料容易发生团聚使其电子传导通道受阻。

发明内容