[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括一个利用原位气相沉积法得到BP@MQD的步骤；一个将单质硫与BP@MQD复合的步骤。利用烧杯将一定比例的黑鳞粉末和硼化镁粉末充分混合，再放入马弗炉中进行烧结；通过离心洗涤的方法去除产物中非定形态的氧化硼，即可得到所需宿主材料。宿主材料中的氧化镁量子点具有强极性，可以捕捉长链多硫化物，减少穿梭效应；BP@MQD异质结可以提升电子转移速率，加快反应动力学。该发明中，单质硫做为正极活性材料，BP@MQD作为硫的宿主材料，与其他锂硫电池正极材料相比，优化了电池的循环稳定性能和倍率性能。此制备方法流程简单，对设备要求低，性能优异，适合大规模商业电池的生产。

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，更具体的说是涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法及其应用。

背景技术

典型的锂硫电池的反应机理是电化学机理，正负极的硫与锂通过得失电子反应生成硫化物，正极和负极反应后形成的电势差即为放电电压。当外加电压时，正、负极反应逆向进行，此时是充电过程。硫作为正极活性材料，主要以S₈的形式存在，在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh/g。高容量、高比能量等优点使得锂硫电池成为有前景的新型电池。

但是单质硫的电子、离子导电性都很差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10^-30S·cm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；锂硫电池的充放电过程复杂，中间产物多，穿梭效应导致了活性物质损失和电能的浪费，最终造成锂硫电池的低循环性能问题；硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79％，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。以上所述的三点问题制约着锂硫电池的发展。

因此，如何得到一种具有异质结和量子点结构的复合材料用于储硫并且抑制多硫化物造成的穿梭效应，同时还能提供良好的电子和离子传输路径，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种长循环高倍率性能的锂硫电池正极材料的制备方法，以黑磷@氧化镁量子点为原料，通过熔融的方法将单质硫渗入黑磷@氧化镁量子点，提升了材料的导电性，其含有的氧化镁量子点有利于提升材料的循环稳定性(1C的充放电流密度下，循环500圈后，比容量还能保持在600mAh·g^-1)。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将黑磷粉末与硼化镁粉末混合，然后放入烧杯中加入去离子水，继续搅拌24h；

(2)将干燥后的粉末放入坩埚中，然后进行烧结；

(3)将烧结后的粉末进行洗涤，然后烘干，得到黑磷和氧化镁量子点的复合材料；

(4)将上述复合材料与单质硫混合并研磨15min，得到混合产物

(5)在混合产物中加入CS₂继续研磨1-3h，得样品；

(6)将样品放入密闭容器中，再在150-160℃下保温1-12h，取出后冷却至室温，即得所述锂硫电池正极材料。

优选的，步骤(1)中所述黑磷粉末与硼化镁粉末的质量比为1：(1-7)。

更优选的，步骤(1)中所述黑磷粉末与硼化镁粉末的质量比为1：5，在该比例下两中物质反应更充分。