[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种锂硫电池正极材料，包括炭骨架，炭骨架材料中均匀分布有硫纳米颗粒，每个硫纳米颗粒表面均匀包覆有金属氧化物壳层。本发明还公开一种锂硫电池正极材料的制备方法，步骤包括：步骤1，将金属硫化物纳米颗粒表面均匀包覆一层极性氧化物，得到复合纳米颗粒；步骤2，以复合纳米颗粒为胶体材料，采用诱导聚合凝胶法合成有复合纳米颗粒均匀分布在脲醛树脂中的微米复合球；步骤3，将微米复合球经过碳化处理后，再用氧化剂溶液进行处理，最终得到锂硫电池正极材料。本发明不仅能提高硫的利用率，还能延长内部多硫化锂的扩散路径，增加其扩散难度，更有效地抑制多硫化锂的穿梭效应。

技术领域

本发明属于电极制备技术领域，涉及一种锂硫电池正极材料，还涉及上述材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池具有能量密度高、成本低等优点，被认为是最具有潜力的高能量密度电池体系之一。然而，锂硫电池的正极存在硫单质和硫化锂的导电性差、中间产物多硫化锂的溶解和穿梭效应、充放电过程中体积变化等问题，导致锂硫电池仍面临着硫利用率低、容量衰减快等挑战。

目前的研究主要集中在将单质硫负载于具有特殊孔结构的导电宿主材料作为锂硫电池正极材料，通过提升硫单质和硫化锂的导电性以及对多硫化锂的束缚作用，以此提高锂硫电池正极材料的电化学性能。尽管将单质硫负载于纳米材料中改善了锂硫电池的电化学性能，但是单层的纳米壳层对多硫化锂的穿梭效应抑制作用有限。同时受限于纳米材料较低的振实密度，电极很难获得高的能量密度。另一方面，微米材料具有更高的振实密度，同时选用微米多孔材料作为宿主材料能延长和增加内部多硫化锂的扩散路径和扩散难度，可以更有效缓解多硫化锂的穿梭效应，从而提高电极的电化学性能。然而，在载硫的过程中，大尺寸的S8分子很难均匀扩散渗透到微米宿主材料的内部，并且在扩散渗透的过程中也会破坏部分微孔结构，降低充放电过程中宿主材料对多硫化锂的束缚作用，电极亦表现出较低的硫利用率和快速的容量衰减。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，解决了现有技术中存在的锂硫电池中硫利用率低的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种锂硫电池正极材料，包括炭骨架，炭骨架材料中均匀分布有硫纳米颗粒，硫纳米颗粒的个数不少于2，每个硫纳米颗粒周围有均匀极性氧化物壳层。

本发明的目的还在于上述正极材料的制备方法，本发明的另一技术方案是：

一种锂硫电池正极材料的制备方法，步骤包括：

步骤1，将金属硫化物纳米颗粒表面均匀包覆一层极性氧化物，得到复合纳米颗粒。

步骤2，以复合纳米颗粒为胶体材料，采用诱导聚合凝胶法合成有复合纳米颗粒均匀分布在脲醛树脂中的微米复合球。

步骤3，将微米复合球经过碳化处理后，再用氧化剂溶液进行处理，最终得到锂硫电池正极材料。

本发明的特点还在于：

若极性氧化物为SiO₂，则步骤1为：将金属硫化物纳米颗粒分散在乙醇和去离子水混合溶液中，接着依次加入浓氨水和正硅酸四乙酯，在室温下磁力搅拌反应后，经过多次离心、水洗后得到SiO₂包覆的复合纳米颗粒，金属硫化物纳米颗粒的尺寸为30～150nm。

若极性氧化物为TiO₂，步骤1为：将金属硫化物纳米颗粒均匀分散在乙醇中，接着依次加入十六胺和浓氨水，在剧烈搅拌下加入钛酸异丙酯，在室温在磁力搅拌反应后，经过多次离心、水洗后得到TiO₂包覆的复合纳米颗，金属硫化物纳米颗粒的尺寸为30～150nm。

步骤2具体包括：

步骤2.1，将复合纳米颗粒均匀分散在去离子水中，接着依次加入尿素和的甲醛溶液，缓慢搅拌反应0.5～3小时；