一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池。所述锂硫电池正极材料包括若干氧化钒纳米片、分散在每个氧化钒纳米片上的若干钴颗粒、在若干钴颗粒表面生长的碳纳米管、及分散在碳纳米管里以及同时分散在碳纳米管形成的网络中的硫单质。本发明专利技术提供的锂硫电池正极材料以金属钴单质和过渡金属氧化物为模板生长碳纳米管进行载硫，有效的缓解了充放电过程中的体积膨胀问题，并且金属钴单质及碳纳米管都是良好的导电材料，弥补了硫绝缘性的缺点，使得到的锂硫电池的倍率性能和循环稳定性能得到大大提高。并且该制备方法过程简单、操作方便，环境友好，有利于大规模生产，具有实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池
本专利技术属于锂硫电池正极材料领域，更具体地，涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池。
技术介绍
随着现代工业的发展，汽车的普及，导致化石能源日渐减少，环境问题日趋严重，形势不容乐观。急需研究清洁的、可再生的能源来代替现有的不可再生的化石能源，与此同时，储能问题的解决就被提上日程。目前，锂离子电池研究、应用较为广泛，因其功率密度、能量密度相对较高、循环寿命长，绿色环保等优点，使其在各类移动电源，大型储能设备及新能源电动汽车上广泛应用。然而，现如今研究的锂离子正负极材料，其容量几乎达到其理论容量，难以满足日渐增长的储能需求。因此，急需研究出具有更高的能量密度的电极材料来推动社会的进一步发展。此时，锂硫电池以其高的比能量及材料的理论比容量逐渐登上储能的舞台。锂硫电池是以硫元素作为电池正极材料，金属锂作为负极材料的一种锂电池。其中，单质硫在地球的储量相当丰富，使其具有价格低廉的优点，并且硫元素对环境无污染，属于清洁的能源材料。其次，硫作为正极材料，其理论比容量可高达1675mA/g，电池的理论比能量高达2600Wh/kg，远远超过现有市场上的钴酸锂电池容量(150mAh/g)，这就使锂硫电池成为非常具有应用前景的储能方式。但是，锂硫电池也存在其特有的问题：(1)硫的导电性非常差，并且反应的最终产物Li2S2和Li2S都是绝缘体，导致电池倍率性能较差；(2)锂硫电池的中间产物多硫化物会溶解到电解液中，使离子导电性降低，并且多硫化物在正负极间的移动，使活性物质损失，从而使循环稳定性降低；(3)在充放电过程中，硫体积会变大，容易损坏电池且带来安全隐患。为解决锂硫电池现存的问题，需对正极材料进行改性来实现。现在大多数研究的技术主要是，将硫与单一的导电基材料或金属氧化物材料进行复合来提高性能。但是，上述方法中对于材料导电性的提高及多硫化物穿梭效应的抑制作用有限，对同时提高锂硫电池的倍率性能和循环性能能力也有限。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池。该锂硫电池正极材料能够提供高的导电性，催化性能及用化学方式抑制多硫化物的穿梭效应，从而提高锂硫电池的倍率性能及循环性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料包括若干氧化钒纳米片、分散在每个氧化钒纳米片上的若干钴颗粒、在若干钴颗粒表面生长的碳纳米管、及分散在碳纳米管里以及同时分散在碳纳米管形成的网络中的硫单质。上述方案中，所述氧化钒纳米片为六边形。上述方案中，所述氧化钒纳米片的边长为2-3μm，厚1-1.5μm。上述方案中，所述钴颗粒和碳纳米管的直径均为10-30nm。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将环六亚甲基四胺、六水合氯化钴、偏钒酸铵前驱体加入水中混合，得到混合物；(2)将步骤(1)制备的混合物放入水浴锅，搅拌，即得钒酸钴粉末材料；(3)将步骤(2)所述的钒酸钴材料放在管式炉中，在一氧化碳气氛下，热处理进行相分离与同步生长碳纳米管包覆层。(4)将步骤(3)所述的复合材料与升华硫混合后进行真空低温热处理，即得到所述的锂硫电池正极材料。上述方案中，步骤(1)中环六亚甲基四胺、六水合氯化钴及偏钒酸铵的质量比为1:4～5:12～13。上述方案中，步骤(2)所述水浴锅温度为80℃，且保温时间为4h.上述方案中，步骤(3)所述热处理温度为580℃-620℃，升温速率为5℃/min-10℃/min，保温时间为1-3h。上述方案中，步骤(4)的热处理温度为150℃-160℃，升温速率为1℃/min-10℃/min，保温时间为10-13h。一种锂硫电池，包括正极、锂负极和电解液，所述正极包括活性物质，所述活性物质为所述的锂硫电池正极材料或按照所述的制备方法制备得到的锂硫电池正极材料。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：本专利技术提供了一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池。本专利技术提供的锂硫电池正极材料包括氧化钒片，包附于片表面的碳纳米管网络和金属钴单质及填充于网络中的硫单质。本专利技术提供的锂硫电池正极材料以金属钴单质和过渡金属氧化物为模板生长碳纳米管进行载硫，有效的缓解了充放电过程中的体积膨胀问题，并且金属钴单质及碳纳米管都是良好的导电材料，弥补了硫绝缘性的缺点；其次，金属钴单质具有催化作用，促进反应的进行；氧化钒对硫和多硫化物具有化学吸附作用，可以有效地抑制多硫化物在反应过程中的穿梭效应；此外，氧化钒片和外围的碳纳米管网络加上钴单质，配合适当的硫含量，使此复合结构能够同时促进电子传输，且能使锂离子快速的传输到低导电的硫上，从而来提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性能。本实验结果表明，本专利技术提供的锂硫电池正极材料制备的锂硫电池在1C下，200次循环后，放电容量仍能保持501mAh/g，300次循环后放电容量可保持451mAh/g，库伦效率仍保持在100％左右；5C高倍率循环下，放电容量仍能保持532mAh/g，再次回到1C时，放电容量仍可保持679mAh/g。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的锂硫电池正极材料的结构示意图；图2为本专利技术实施例1制备得到的金属单质与氧化钒纳米片生长碳纳米管材料的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1制备得到的金属单质与氧化钒纳米片生长碳纳米管材料吸附多硫化物的吸附效果图；图4为本专利技术实施例1制备得到锂硫电池的充放电曲线；图5为本专利技术实施例1制备得到锂硫电池的倍率性能图；图6为本专利技术实施例1制备得到锂硫电池的循环性能图。具体实施方式使本领域技术人员更好的理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作详细说明。如图1所示，其为本专利技术提供的一种锂硫电池正极材料，包括若干氧化钒纳米片、分散在每个氧化钒纳米片上的若干钴颗粒、在若干钴颗粒表面生长的碳纳米管、及分散在碳纳米管里以及同时分散在碳纳米管形成的网络中的硫单质。在本专利技术中，所述氧化钒纳米片为六边形，其边长为2-4μm，厚1-1.5μm。本专利技术对所述氧化钒片的含量没有特殊限定。在本专利技术中，所述氧化钒片具有稳定的形状。在本专利技术中，所述氧化钒片对硫和多硫化物有化学吸附，可以有效抑制多硫化物的穿梭效应。本专利技术提供的锂硫电池正极材料还包括散布于氮化钒片上的纳米钴颗粒。在本专利技术中，所述纳米钴颗粒的粒径优选为10-30nm。本专利技术对所述纳米钴颗粒在氧化钒片外表面的分布密度没有特殊限定，根据氧化钒和钴纳米颗粒的含量分布均匀即可。在本专利技术中，所述金属单质纳米钴颗粒具有高的导电率，保证硫的高利用率及优异的倍率性能。在本专利技术中，所述金属单质纳米钴颗粒对电池的充放电反应具有催化作用，促进反应的顺利进行。本专利技术提供的锂硫电池正极材料还包括包覆于氧化钒外侧的碳纳米管网络。在本专利技术中，所述碳纳米管网络为单质硫提供更大的储存空间，提高单质硫的载量并且可以缓解硫在充放电过程中的体积变化。在本专利技术中，所述碳纳米管直径10-30nm。在本专利技术中，所述碳纳米管长度为1-3μm。在本专利技术中，所述碳纳米管具有优异的导电性，弥补单质硫和反应产物硫化锂或硫化二锂的绝缘性。本专利技术提供的锂硫电池正极材料包括填充于碳纳米管网络内部及碳纳米管内的硫单质。本专利技术对所述硫单质在碳纳米管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述锂硫电池正极材料包括若干氧化钒纳米片、分散在每个氧化钒纳米片上的若干钴颗粒、在若干钴颗粒表面生长的碳纳米管、及分散在碳纳米管里以及同时分散在碳纳米管形成的网络中的硫单质。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述锂硫电池正极材料包括若干氧化钒纳米片、分散在每个氧化钒纳米片上的若干钴颗粒、在若干钴颗粒表面生长的碳纳米管、及分散在碳纳米管里以及同时分散在碳纳米管形成的网络中的硫单质。2.如权利要求1所述的锂硫电池正极材料，其特征在于，所述氧化钒纳米片为六边形。3.如权利要求2所述的锂硫电池正极材料，其特征在于，所述氧化钒纳米片的边长为2-4μm，厚1-1.5μm。4.如权利要求1所述的锂硫电池正极材料，其特征在于，所述钴颗粒和碳纳米管的直径均为10-30nm。5.如权利要求1至4任一项所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将环六亚甲基四胺、六水合氯化钴、偏钒酸铵前驱体加入水中混合，得到混合物；(2)将步骤(1)制备的混合物放入水浴锅，搅拌，即得钒酸钴粉末材料；(3)将步骤(2)所述的钒酸钴材料放在管式炉中，在一氧化碳气氛下，热处理进行相分离与同步生长碳纳米管包覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：付继江，秦萍，高标，张旭明，霍开富，黄超，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42