[发明专利]一种锂硫电池正极异质结材料的制备方法

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异质结材料的制备方法。该种锂硫电池正极异质结材料的制备方法，包括以下步骤：(1)配置溶液A；(2)配置溶液B；(3)制备四氧化三铁前驱体；(4)制备四氧化三铁；(5)制备Fe₃O₄/Fe₂N异质结材料。通过该方法制备得到的为Fe₃O₄/Fe₂N异质结材料，具有较稳定的循环寿命和倍率性，提高了电池的比容量。

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异质结材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和较高能量密度(2500Wh/kg)，通常利用硫单质(S₈)作为锂硫电池的正极材料，锂金属为负极材料组成全电池，拥有较稳定的平均放电电压平台(2.15V)。同时由于硫单质具有来源丰富、环保等优势受到研究者们的关注。但是目前阻碍其商业化发展的重要原因是锂硫电池实际比容量与能量密度较难达到理论值，并且循环稳定性比较差、导电率较低导致硫正极材料利用率低，S₈与Li₂S也会伴随着充放电过程而体积膨胀，同时S₈在放电过程中会不断产生不溶性的Li₂S₂、Li₂S和其他溶解性的多硫化锂(LiPS)，正是因为如此使得其在隔膜附近自由迁移，降低了活性物质的利用率。针对这些问题，目前研究者会尝试利用具有框架架构的过渡金属化合物作为硫单质的载体，运用到锂硫电池上可以有效的改善上述提到的由于放电过程产生的中间产物造成比容量低、循环稳定性差等问题，通常包括过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氮化物及过渡金属氢氧化物等其他化合物。

过渡金属氧化物一般具有强极性，可以与其他基团形成较强的化学键，或者可以使过渡金属离子与硫形成较稳定的配合物(MS_x)，可以有效地将多硫化物限制住，如TiO₂、MnO、Co₃O₄、Fe₃O₄、V₂O₅等，在作为锂硫电池正极材料的应用中，过渡金属氧化物不仅对LiPS有较好的吸附作用，而且可以帮助多硫化锂向高导电碳基质转送，使得电化学转化更加完全，也可以使不溶性的Li₂S₂、Li₂S在复合材料表面上可控生长避免Li₂S的团聚而失去电活性。通常过渡金属氮化物容易与LiPS形成N—S键，使得具有强烈的化学相互作用，由于这极强的化学亲和力从而抑制了LiPS的穿梭，某过渡金属些氮化物有较好的硬度以及金属导电性，其牢固的结构可以有效承受体积膨胀问题，如TiN、VN、NbN、Co₄N、Fe₂N等。过渡金属氮化物中的N原子中的孤对电子作为导电路易斯碱“催化剂”基质，可以增强LiPS对锂原子的吸附能力，促进LiPS的氧化还原过程，从而使得在锂硫电池的应用中有很好的电催化性及良好的电化学稳定性。

为了使各类材料各自的优势相互补给，开发具有高效电催化活性、高电化学性能、高多硫化锂吸附能力的正极材料，是抑制多硫化物穿梭、促进其转化的一种有效方法。通常采用化学可控的方法将两种或者多种类型的材料合成复合材料，其中异质结结构材料的制备手法大致包括电化学沉积、化学气相沉积、化学水浴法等，可以在原有固体纳米材料上生长同型或异型的材料。然而化学水浴法一般是在基础材料上生长同型或者异形材料的方法，通过在特定溶液里浸泡基础材料，在其表面生长理得到最终材料。通过这种方法得到的异质结材料往往会随着沉积而使原有形貌发生微小的改变，而且沉积上去的材料往往会因为浸泡液浓度发生改变而导致不均匀。另外化学水浴法只适用于低温物质反应(水沸点100℃)，对于一些需要高温条件方可形成的反应制备的材料，化学水浴法无法满足。电化学沉积是利用外加电场作用下通过电解质溶液中正负离子的迁移而在电极上发生氧化还原反应形成镀层的，对于粉末材料很难实现，通过制电极片后再电化学沉积的方式产量较小。