[发明专利]一种具有阵列结构的复合正极材料及应用

说明书

本发明公开一种具有阵列结构的复合正极材料，包括硫和具有阵列结构的基底材料；其中，硫通过热合成与基底材料结合；硫与基底材料的质量比为1:2至1:4；本发明的复合材料为硫提供丰富的活性吸附位点，有利于抑制多硫化锂的穿梭扩散行为，提升锂硫电池性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种具有阵列结构的复合正极材料、制备方法及应用。

背景技术

锂硫电池因其高达2600Wh kg^-1的理论能量密度、成本低以及环境友好等优势引起了世界范围内的广泛关注。然而，硫并非电极的理想材料。实现真正产业化应用的锂硫电池仍面临诸多挑战，其中反应中间产物多硫化锂的“溶解穿梭行为”及其迟缓的动力学转化过程严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。

现有技术对锂硫电池单质硫的固定一般载量不高或者步骤繁琐，例如采用连续的碳包覆及溶液相氧化反应法，合成了碳包硫纳米片，在制备纯硫化锌纳米片时需将硫化锌杂化纳米片在高温惰性环境下进行煅烧。该方法对设备有一定要求，且步骤繁琐不适宜大规模生产，此外，还有方法将升华硫与介孔氧化硅混合，经过二次煅烧，通过毛细管力将硫单质嵌入孔径内，得到氧化硅硫复合物，该技术方案通过毛细管力完成固硫，其牢固性仍然差强人意。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有阵列结构的复合正极材料，本发明为硫提供丰富的活性吸附位点，有利于抑制多硫化锂的穿梭扩散，提升锂硫电池性能。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种具有阵列结构的复合正极材料，包括硫和具有阵列结构的基底材料；

其中，硫通过热合成与基底材料结合；

硫与基底材料的质量比为1:2至1:4。

优选所述基底材料包括炭材料和氧化锡，其中，氧化锡片状生长于炭材料。本发明中片状的氧化锡一方面有利于提高正极容量，同时其自身特殊的片状结构配合炭材料，尤其是具有一定空间结构的炭材料，其对硫元素的限位实现明显，保证元素与炭材料的均匀结合；同时氧化锡对于提高正极材料的容量和结构稳定性也具有一定的贡献。

优选所述基底材料的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将硫代乙酰胺、四氯化锡加到异丙醇溶剂中，硫代乙酰胺、四氯化锡和异丙醇的质量比为1：1：2，超声溶解；

步骤二、将丙酮：硝酸：炭材料加入至步骤一所得混合物，其中丙酮、硝酸和炭材料的质量比为1：1：5至1：1：8；

步骤三、将步骤二所得物料转移至反应釜中进行水热反应，得基底材料前躯体；

步骤四、将基底材料前驱体煅烧得到阵列结构基底材料。

本发明正极材料在制备过程将经超声溶解的原料转移到聚四氟乙烯反应釜。反应釜容积为反应原料溶液体积的2至3倍，反应釜太小，反应时压力大，有危险；反应釜太大，反应时间长。步骤二中向反应釜中继续加入质量比为1：1：(5至8)的丙酮、硝酸和炭材料，本发明中炭材料较少，氧化锡生长位点少，反应慢；炭材料太多，氧化锡无法完全覆盖，产物氧化锡覆盖率低；而SnO₂对多硫化锂的穿梭效应具有显著的抑制效果，可提升产品循环性能，氧化锡覆盖量大，循环性能越好。本发明步骤二中丙酮、硝酸提供反应环境，帮助反应进行时，电子传导，其本身反应前后不发生变化。

优选步骤三水热反应的工艺条件为：

温度 160-180℃；

反应时间 24h；

水热反应结束，产物放入80℃烘箱中干燥24h。

优选步骤四基底材料前驱体煅烧的工艺条件为：煅烧温度500℃，煅烧时间2h。本发明中煅烧温度太低、时间短，产物反应不完全；温度高、时间长，有副产物出现，降低产物性能。