CN112002889B - 一种锂硫电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

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材料及其制备方法。该正极材料为金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。该正极材料具有较高机械强度、良好的导电性及热稳定性；改善硫导电性差的问题；缓解穿梭效应；同时可以促进多硫化物的转化，提高活性物质的利用率。

Description

一种锂硫电池正极材料及其制备方法
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材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的高速发展，能源需求不断增加，发展新型可持续能源的同时兼顾脆弱环境成为我们关注的重点。为此我们必须减少对化石燃料的依赖，转向正在全世界范围内实施的光伏发电，风力涡轮发电，潮汐发电等清洁可持续的能源利用方式。这些具有间歇性特质的可再生能源需要先进的能源储存系统，在能量过剩时储存能源，在有需求时释放能量，以维持能量供应的平衡。电池则可以高效地进行能源的存储和释放，便携式电子设备和高能耗电动汽车的发展也增加了对高性能电池设备的需求。虽然电池市场很长一段时间都由传统的可充电电池如铅酸电池和锂离子电池统治，但其能量密度并不能完全满足电网储能和便携式能源储存系统日益增长的需求。
锂硫电池因其较高的理论能量密度、环境友好、低成本等优势引起了科研者的关注。然而仍有以下三个方面的问题制约着锂硫电池的广泛应用：(1)单质硫以及中间产物的导电性差，离子态的硫不存在，导致锂硫电池正极材料的活化过程比较困难；(2)在锂硫电池充放电过程中，生成的可溶于电解液的较高价态聚硫离子会迁移扩散到锂负极，与锂反应生成多硫化锂，产生穿梭效应，造成活性物质的不可逆损失，相应地导致电池容量衰减；(3)电池在充放电过程中，不溶性Li2S会在负极沉积，使得锂负极有锂枝晶产生，正极部分硫和最终产物Li2S的密度不同，物质密度发生变化导致硫正极的体积膨胀甚至破裂，进而导致电池循环性能降低。因此如何提高锂硫电池的循环寿命、提高正极活性物质利用率以及改善体积膨胀效应成为锂硫电池进一步研究的热点和关键难点。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法，该正极材料具有较高机械强度、良好的导电性及热稳定性；改善硫导电性差的问题；缓解穿梭效应；同时可以促进多硫化物的转化，提高活性物质的利用率。
本发明的技术方案为：一种锂硫电池正极材料为金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属化氮化硼纳米管的制备：以氢硼化物作为阳极，石墨作为阴极，在初始压力为700～900mbar条件下充入氮气气氛，在直流60～120A，电压20～40V下建立稳定的等离子体，持续时间至少15min，产生深灰色烟并沉积在容器内壁，即得金属化氮化硼纳米管；所得金属化氮化硼纳米管相对薄，产量较高；
(2)金属化氮化硼纳米管/硫复合材料的制备：首先将步骤(1)所得金属化氮化硼纳米管与硫粉按质量比1:2～5的比例称量后混合，并置于研钵中研磨成均匀细小的粉体混合物；然后向研钵中滴加二硫化碳，再次进行充分研磨后置于反应釜中进行水热反应，即得到金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
所述步骤(2)中水热反应的反应温度为155℃，水热时间为12h。
所述步骤(2)中粉体混合物与二硫化碳混合研磨至少30min。
本发明的有益效果为：本发明所述锂硫电池正极材料为金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
(1)本发明的设计过程中，采用金属化的氮化硼改善了硫正极及中间产物导电性差的问题，提高正极材料的导电性，以利于电子在电极中的传输，促进固/液界面反应动力学；
(2)本发明的设计过程中，金属化氮化硼纳米管表面吸附性较强，可以吸附充放电过程中产生的多硫化物，从而缓解穿梭效应，提高活性物质利用率及电池长程稳定性；
(3)本发明的设计过程中，金属化氮化硼纳米管比表面积较大，暴露出更多的活性位点，提高了传质速率，促进了多硫化物的转化，活性物质的利用率得到提高，从而得到了优异的电化学性能。
通过本发明所述制备方法所得的一维金属化氮化硼纳米管具有较高机械强度、良好的导电性及热稳定性。采用本方法得到的金属化氮化硼纳米管相对薄，产量较高。
附图说明
图1为实施例1制得的金属化氮化硼纳米管作为锂硫电池正极材料用于锂硫电池在0.5C的电化学充放电曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
所述锂硫电池正极材料为金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)金属化氮化硼纳米管的制备：以高纯度、热压形成的氢硼化物(HfB2)作为阳极，石墨作为阴极，在初始压力为700mbar条件下充入氮气气氛，在直流60A，电压20V下建立稳定的等离子体，持续时间至少15min，产生深灰色烟并沉积在容器内壁，即得金属化氮化硼纳米管；
(2)金属化氮化硼纳米管/硫复合材料的制备：首先将步骤(1)所得金属化氮化硼纳米管与硫粉按质量比1:3的比例称量后混合，并置于研钵中研磨成均匀细小的粉体混合物；然后向研钵中滴加二硫化碳，再次进行充分研磨至少30min后置于反应釜中在155℃条件下进行水热反应12h，即得到金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
实施例2
(1)金属化氮化硼纳米管的制备：以高纯度、热压形成的氢硼化物(HfB2)作为阳极，石墨作为阴极，在初始压力为700mbar条件下充入氮气气氛，在直流60A，电压40V下建立稳定的等离子体，持续时间至少15min，产生深灰色烟并沉积在容器内壁，即得金属化氮化硼纳米管；
(2)金属化氮化硼纳米管/硫复合材料的制备：首先将步骤(1)所得金属化氮化硼纳米管与硫粉按质量比1:3的比例称量后混合，并置于研钵中研磨成均匀细小的粉体混合物；然后向研钵中滴加二硫化碳，再次进行充分研磨至少30min后置于反应釜中在155℃条件下进行水热反应12h，即得到金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。

Claims (3)

1.一种锂硫电池正极材料，其特征在于，该正极材料为金属化氮化硼纳米管/硫复合材料；该复合材料通过以下步骤制备所得：
（ 1 ） 金属化氮化硼纳米管的制备：以氢硼化物作为阳极，石墨作为阴极，在初始压力为700～900mbar条件下充入氮气气氛，在直流60～120 A，电压20～40 V下建立稳定的等离子体，持续时间至少15 min，产生深灰色烟并沉积在容器内壁，即得金属化氮化硼纳米管；
（2）金属化氮化硼纳米管/硫复合材料的制备：首先将步骤（1）所得金属化氮化硼纳米管与硫粉按质量比1:2～5的比例称量后混合，并置于研钵中研磨成均匀细小的粉体混合物；然后向研钵中滴加二硫化碳，再次进行充分研磨后置于反应釜中进行水热反应，即得到金属化氮化硼纳米管/硫复合材料。
2.根据权利要求1所述锂硫电池正极材料，其特征在于，所述步骤（2）中水热反应的反应温度为155℃，水热时间为12h。
3. 根据权利要求1所述锂硫电池正极材料，其特征在于，所述步骤（2）中粉体混合物与二硫化碳混合研磨至少30 min。
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