[发明专利]一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂硫电池技术领域，公开了一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用。该正极材料包括自支撑碳基体、负载于自支撑碳基体上的单质硫以及沉积于单质硫上的铁基催化剂层；自支撑碳基体的厚度为50‑200μm；单质硫的负载量为1‑5mg/cmsupgt;2/supgt;；铁基催化剂层的厚度为5‑20nm，且形成铁基催化剂层的催化剂选自三氧化二铁、四氧化三铁、四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。本发明通过在锂硫电池自支撑正极材料表面沉积铁基催化剂层，能够通过物理阻隔和化学吸附多硫化物，催化加速多硫化物反应动力学，有效地抑制穿梭效应，提高活性硫正极的利用率，还能改善锂负极表面环境，避免锂枝晶的生成。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

新能源产业尤其是电动汽车行业不断的发展，促进了市场对电动汽车提出了更高的技术标准。传统锂离子电池由于受正极材料理论容量和成本的限制，难以在能源及交通等领域得到更加广泛的应用。

锂硫电池(Li-S)是上世纪60年代提出来的二次电池的概念，它是由锂金属(Li)作为负极材料、单质硫(S)作为正极材料构建的一种二次电池体系。从经济上和保护环境的角度来说，S在地球上的储量丰富，来源广泛，因此价格非常便宜，同时S单质无毒，是一种环境友好型的电极材料。

目前，锂离子电池已接近其理论能量密度上限，但仍不能满足电动汽车的高能量密度需求。不断增长的高能量密度需求促进了锂硫电池的发展，作为最有前途的下一代可充电电池。

然而，尽管具有上述突出的优点，但是锂硫电池距离商业化应用还有一段的距离，导致这种现状的最主要问题是充放电反应过程中生成的多硫化物能够溶解在有机电解液中，这些溶解的多硫化物会扩散到Li金属表面与Li发生直接接触式的反应，破坏Li金属表面的SEI膜，促进锂枝晶的形成，导致电池短路。同时最明显的是溶解的多硫化物会不断地消耗活性物质导致Li-S电池的循环性能很差。这些由于多硫化物溶解导致的一系列不良效应被称为“穿梭效应”。

因此，抑制长链多硫化锂穿梭和提高活性硫正极利用率是实现高性能锂硫电池的关键。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种锂硫电池自支撑正极材料，有效抑制多硫化锂穿梭和提高活性硫正极的利用率，从而使得制备得到的锂硫电池具有良好的循环性能。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种锂硫电池自支撑正极材料，该正极材料包括自支撑碳基体、负载于所述自支撑碳基体上的单质硫以及沉积于所述单质硫上的铁基催化剂层；

所述自支撑碳基体的厚度为50μm-200μm；

所述单质硫的负载量为1-5mg/cm²；

所述铁基催化剂层的厚度为5nm-20nm，且形成所述铁基催化剂层的催化剂选自三氧化二铁、四氧化三铁、四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。

优选情况下，所述自支撑碳基体的厚度为100μm-150μm。

优选情况下，所述铁基催化剂层的厚度为5nm-10nm。

优选地，所述单质硫的负载量为1-3mg/cm²。

优选情况下，形成所述铁基催化剂层的催化剂选自四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。

本发明第二方面提供一种制备第一方面所述的锂硫电池自支撑正极材料的方法，该方法包括：

(1)在惰性气氛存在下，将自支撑碳基体前驱体进行碳化处理，得到自支撑碳基体；

(2)采用熔融扩散法在所述自支撑碳基体的一侧负载单质硫，得到负载有单质硫的自支撑碳基体I；