[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。该正极材料为铁单原子掺杂的COF纳米球复合材料。该正极材料具备高导电性和高比表面积等特性，并且由于金属单原子的均匀分散，可以有效促进充放电过程中多硫化物的转化。所述制备方法简单，有效，易于操作。

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

当今社会经济飞速发展，不可再生能源消耗枯竭，同时伴随着环境污染、人类身体健康遭到威胁等问题，解决以上问题的办法就是开发和利用可再生能源。截至目前，有很多可再生能源已经被开发出来，并取得了很好地应用，然而如果想要普及可再生能源的使用，必须用高性能的储能设备作为保障。近年来在对各种储能设备的不断研究中发现锂离子电池不仅在便携性、能量密度方面占优势，而且循环寿命也得到显著提高，由于可充电锂离子电池在工作电压和能量密度方面占据优势，目前已成功地应用到新能源汽车领域。但是由于其在成本、安全性、能量密度、电池寿命和功率输出等方面的限制，目前的商业锂离子电池仍然无法满足大规模能量存储的需求，也无法满足公众对不同款式电动汽车的需求。此外随着近几年锂离子电池需求量的增长，锂资源的储备也在逐渐消耗。因此迫切需要科研工作者努力去改进储能技术，并开发基于丰富资源的替代电池系统，锂硫电池二次电池由于高理论比容量和高能量密度，被认为是下一代电池系统的候选者。

可充电锂硫电池通常由锂阳极、充满电解质的多孔隔膜和硫阴极组成。活性物质硫作为锂硫电池正极材料，其在地球上的储量丰富，并且在价格和环境问题方面与其他电极材料相比均占有优势。与传统的锂离子电池相比，无论是在资源利用方面还是在容量密度(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)方面均表现出了明显的优势，这也是近年来很多科研工作者热衷于研究锂硫电池正极材料的主要原因。

然而锂硫电池的商业化发展仍有几个关键问题需要进一步改进：首先，活性物质硫较差的导电性降低了其电化学利用率，导致锂硫电池在高速充放电过程中容量会迅速降低；第二，长链多硫化锂可能会溶解在电解液中，然后通过电解液扩散到阳极锂表面，导致短链多硫化物在锂阳极上生长，既阻碍了电子的传输又消耗了活性物质材料，同时也增大了电极的阻抗。短链中间体由于浓度梯度的影响仍然可以扩散回阴极表面，并通过穿梭效应与硫或多硫化物反应，导致硫阴极的库仑效率和循环稳定性降低；第三，硫和锂多硫化物在反复充放电过程中体积变化剧烈，可能破坏正极的完整性和稳定性，导致活性正极材料粉化和结构解体。

为了解决这些问题，最有效的策略之一是将硫或多硫化物限制在空腔内，以保持电极的机械和电学完整性，许多纳米结构材料已经被作为主体材料进行了研究，如各种介孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳球、石墨烯、石墨烯氧化物和导电聚合物等。然而研究表明，由于非极性碳和极性多硫化物之间的结合能低，放电过程中生成的不溶性多硫化物从碳表面脱落，导致容量快速衰减。

金属-有机骨架(MOF)也可以作为主体材料来储存硫，利用了多硫化物和氧化骨架之间结合的优势，甚至通过氮掺杂的MOF材料锚定金属单原子增加其对多硫化物的催化转化，但是MOF的热稳定性差，重金属中心较多，增加了宿主密度，从而降低了电池的能量密度，限制了MOF的应用。

有研究人员提出了一种低密度、小孔径、大比表面积的共价有机骨架(COF)作为储硫基质材料，因为COF材料大多具有导电性，同时COF材料的极性官能团有利于增加多硫化物与COF电极之间的键合作用。因此COF材料被认为是用于锂硫电池锚定多硫化物的理想材料。然而由于COF与反应过程中的多硫化物键能较弱，COF仅仅表现出中等的多硫化物捕获效率并且COF对于电化学反应过程中多硫化物的转化效应没有显著影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法，该正极材料具备高导电性和高比表面积等特性，并且由于金属单原子的均匀分散，可以有效促进充放电过程中多硫化物的转化。所述制备方法简单，有效，易于操作。