[发明专利]纳米金属碳材料及其锂硫电池正极、锂硫电池

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种纳米金属碳材料及其锂硫电池正极、锂硫电池。本发明将过渡金属Ni与香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛进行热裂解后，得到纳米金属碳材料，其具有大比表面积，高孔隙率，高氧化还原性。过渡金属Ni与纳米碳材料的协同催化作用，可以加速多硫化锂向Li₂S₂/Li₂S的电化学转化，有效地抑制多硫化物的穿梭效应。本发明将纳米金属碳材料用于制备锂硫电池正极，催化多硫化物转化过程中的连续反应，增强氧化还原反应的动力学性能，从而改善锂硫电池正极材料的循环性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种纳米金属碳材料及其锂硫电池正极、锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是一种由单质硫正极与金属锂负极构筑的具有高理论能量密度(2600Wh/kg或2800Wh/L)、快速充电特性的全新电池体系。单质硫作为锂硫电池正极的主要活性物质，其具有来源广泛、环境友好和价格低廉等优势，应用前景广阔，尤其在移动设备、大型用电设备、智能电网、航天航空和电动/混合动力汽车等领域显示出极大的竞争潜力。然而，目前锂硫电池受限于正极材料导电性能差、充放电过程中氧化还原反应动力学缓慢、反应中间产物溶解产生穿梭效应、循环过程中的体积膨胀等问题无法实现大规模的商业应用，其中锂硫电池的穿梭效应是阻碍其大规模应用的最主要原因。穿梭效应，指的是在充放电过程中，正极产生的多硫化物(Li₂S_n)中间体溶解到电解液中，并穿过隔膜，向负极扩散，与负极的金属锂直接发生反应，最终造成电池中有效物质的不可逆损失、电池寿命的衰减、低的库伦效率。多硫化物转化过程中存在逐步反应，即硫向Li₂S的转化，过程中经过长链多硫化物(Li₂S_n，4≤n≤8)和短链多硫化物(Li₂S_n，n4)。

为了解决多硫化物的穿梭效应，提高硫的利用率，最常见的措施是在硫正极中使用各种吸附材料，如含碳化合物、硫化物、聚合物等，吸附多硫化物，从而将多硫化物截留在正极中。然而，由于非极性吸附材料与极性多硫化物之间的弱相互作用力，因而对多硫化物穿梭效应的抑制作用有限。

与硫正极中使用大量的吸附材料相比，电催化剂只需更少的量就能达到更优的效果，且不影响锂硫电池的能量密度。迄今为止研究的电催化剂主要是金属(例如Pt或Ni)、过渡金属氧化物(例如WO₃或RuO₂)以及硫化物(例如MoS₂、CoS₂或WS₂)。然而，在锂硫电池的整个电压范围内，一些金属氧化物和硫化物在热力学上是不稳定的，因而对多硫化物穿梭效应的抑制作用有限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种纳米金属碳材料及其锂硫电池正极、锂硫电池。

根据本发明的第一个方面，提供了一种纳米金属碳材料，其由以下方法制备得到：

(1)将香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛放入具有氧化性的溶剂中浸泡，使香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛氧化。氧化后的香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛其表面具有亲水基团(如羟基)，具有一定的亲水性，为后面渡金属离子做准备。

(2)将氧化后的香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛放入银离子溶液中浸泡，得到含银离子的香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛。

(3)将含银离子的香蒲绒或猫尾树蒴果绒毛放入镍离子溶液中浸泡，取出后进行冷冻干燥，然后进行热裂解，得到纳米金属碳材料。