[发明专利]自支撑复合材料、其制备方法、锂硫电池的正极材料及锂硫电池

说明书

本发明提供了一种自支撑复合材料、其制备方法、锂硫电池的正极材料及锂硫电池。该自支撑复合材料包括载体和MoN纳米线，至少部分MoN纳米线的一端固定在载体上，载体包括改性碳布，改性碳布的接触角为10°～25°。相比未改性的碳布，改性碳布的表面活性得到提高，从而使其表面的润湿性也得到相应地提高，进而有利于自支撑复合材料中的MoN纳米线的形成。若将上述自支撑复合材料与S制备成锂硫电池的正极材料，并将其应用于锂硫电池，可以在确保锂硫电池具备足够大的比容量和能量密度的基础上，改善S正极的导电性、抑制多硫穿梭效应、缓解S的体积膨胀，从而改善锂硫电池的循环稳定性和倍率性。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体而言，涉及一种自支撑复合材料、其制备方法、锂硫电池的正极材料及锂硫电池。

背景技术

锂离子电池在便携式电子装备和新能源交通工具中具有广泛应用，但是其低的理论能量密度依然限制着其发展。随着人们对二次电池的能量密度的要求不断提升，发展高能量密度的电池体系成为电化学储能的重要发展方向。由于硫(S)正极材料具有高达1675mAh·g^-1的理论比容量，同时硫元素自然储量丰富、成本低廉；锂具有较低的密度和高的电负性(相对标准氢电极为-3.045V)，且锂的理论比容量可达3860mAh·g^-1，因此，锂和硫组成的锂硫电池具有高达1675mAh·g^-1的理论容量和2500Wh·kg^-1的能量密度，远远高于目前已经商业化的锂离子电池(250mAh·g^-1)，锂硫电池被认为是最具有发展前景的下一代可再生能源存储设备。

然而，目前的锂硫电池存在着许多问题，如：(1)作为正极材料，S极低的导电性(5×10^-30S·cm^-1)使其需要与一定量的导电剂混合；(2)硫在反应过程中具有较大的体积膨胀效应；(3)在充放电过程中产生的中间产物多硫化锂Li₂S_n(4≤n≤8)在电解液中具有较高的溶解度，而这些多硫化物从正极向负极扩散，并在负极表面还原，而可溶性的还原性产物又重新回到正极发生氧化反应，即存在“飞梭效应(shuttling effect)”。以上这些问题使得硫的利用率低，锂电极表面易恶化，从而导致其比容量衰减较快，进而导致锂硫电池的循环稳定性和倍率性较差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种自支撑复合材料、其制备方法、锂硫电池的正极材料及锂硫电池，以解决现有技术中的锂硫电池的循环稳定性和倍率性较差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种自支撑复合材料，该自支撑复合材料包括载体和MoN纳米线，至少部分MoN纳米线的一端固定在载体上，载体包括改性碳布，改性碳布的接触角为10°～25°。

进一步地，上述载体的单位面积上的MoN纳米线的质量为25～65g/m²。

进一步地，上述改性碳布为氧化改性碳布。

根据本发明的另一方面，提供了一种上述的自支撑复合材料的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，将改性碳布与钼酸盐溶液进行溶剂热反应，得反应后产物；步骤S2，将反应后产物进行煅烧，得到自支撑复合材料，其中，煅烧在惰性气体和氨气的混合气体、或氮气与氨气的混合气体中进行，其中，以钼离子计，钼酸盐溶液的物质的量浓度为0.02～0.05mol/L。

进一步地，以钼离子计，相对于1m²的改性碳布，钼酸盐的质量为56～112g，优选钼酸盐选自仲钼酸铵、钼酸钠、钼酸钾中的任意一种或多种，优选钼酸盐溶液中的溶剂为有机溶剂，优选有机溶剂选自乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、甲醇、二甲基亚砜中的一种或多种，优选改性碳布为改性石墨化碳纤维布或改性碳纤维布，进一步地优选改性碳布选自改性HCP330P、改性HCP330N、改性HCP331P、改性HCP331N中的任意一种或多种。