[发明专利]锂硫电池正极材料以及锂硫电池

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法，该正极材料由单质硫与Ti₃SiC₂基材料、部分还原的氧化石墨烯复合而成；Ti₃SiC₂基材料为多孔核壳结构，核为碳化钛和碳化硅；壳层为二氧化钛和二氧化硅；多孔核壳结构为离子提供快速的传输路径，对充放电过程中带来的体积膨胀起到缓冲作用，极性结构对于抑制多硫化物的穿梭起到重要作用，减少了活性物质的不可逆损失。此外，将S与部分氧化的石墨烯复合后，提升正极材料导电性的同时进一步抑制多硫化物的穿梭效应。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种锂硫电池的正极材料。

背景技术

随着科学技术的发展，人们在谋求高效便利能源利用的同时，也对环境、成本、来源等方面提出了更高的要求。自20世纪90年代索尼公司实现锂离子电池的商业化应用，锂离子电池质量能量密度也从初代80Wh·kg^-1提高到了300Wh·kg^-1。电动车的发展能量密度需求约为400Wh·kg^-1，这使得锂离子电池受到限制。锂硫电池因其高比容量(1675mA·h·(g硫)^-1)、高能量密度(2600Wh·(kg硫)^-1)、硫成本低(硫的成本为150美元/吨，钴酸锂成本为10000美元/吨)、储量丰富等特点而备受研究者关注，有望成为下一代储能设备的候选。然而锂硫电池的实际应用面临着以下难题：(1)严重的穿梭效应，充放电中间产物Li₂S_x(3≤x≤8)易溶于醚类电解液中，在浓度梯度作用下扩散至Li金属负极，发生不可逆的活性物质损失和容量衰减；(2)充放电过程正极带来约80％的体积膨胀容易导致正极材料坍塌；(3)单质S(5×10-30S·cm^-1，25℃)和放电产物Li₂S的绝缘性增大了电子扩散能垒，使得反应动力学过程缓慢。

为了克服以上问题，本发明提出一种锂硫电池正极材料，为硫寻找到了一种合适的宿主材料，其满足高导电性、对多硫化物产生吸附的特点，将其应用于锂硫电池表现出优良的充放电性能。

发明内容

一种锂硫电池正极材料，其特征在于：所述正极材料由单质硫与Ti₃SiC₂基材料、部分还原的氧化石墨烯复合而成；Ti₃SiC₂基材料为多孔核壳结构，核为碳化钛和碳化硅；壳层为二氧化钛和二氧化硅。

一种锂硫电池正极材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)将Ti₃SiC₂在无氧条件下研磨1-4h，将得到的产物在氧气气氛下进行烧结，得到Ti₃SiC₂基多孔核壳材料；(2)将Ti₃SiC₂基多孔核壳材料与单质硫、部分还原的氧化石墨烯混合后，置于密闭容器内热处理，即得到所述正极材料，其中，步骤(1)中的烧结温度为300-400℃，步骤(2)中的热处理时间为12～24小时，Ti₃SiC₂、S与部分还原的氧化石墨烯质量比为1：(5-9)：(0.1-0.5)，步骤(2)中的热处理温度为150～155℃。