一种微纳结构锂硫电池复合正极材料及其制备方法和电池技术

本发明专利技术属于锂硫电池正极材料技术领域，尤其涉及一种微纳结构锂硫电池复合正极材料及其制备方法和电池。本发明专利技术提供了一种电池复合正极材料，电池复合正极材料具有核壳结构；核壳结构包括金属‑碳壳和设置于金属‑碳壳内的硫核；金属‑碳壳由二氧化钛与杂原子掺杂碳形成，二氧化钛包覆于杂原子掺杂碳内；硫核由单质硫形成。本发明专利技术电池复合正极材料具有核壳结构，金属‑碳壳能够提高电池复合正极材料的电导率并能够对硫及中间产物多硫化物起到限域作用，金属‑碳壳中的二氧化钛不仅能够通过“亲锂”或“亲硫”作用吸附多硫化物，抑制穿梭效应，提供析硫位点，还可催化硫和多硫化物的转化，提高电极过程动力学，提高电极的转化速率。

A Composite Cathode Material for Lithium-Sulfur Batteries with Micro-nanostructure and Its Preparation Method and Battery

【技术实现步骤摘要】
一种微纳结构锂硫电池复合正极材料及其制备方法和电池
本专利技术属于锂硫电池正极材料
，尤其涉及一种微纳结构锂硫电池复合正极材料及其制备方法和电池。
技术介绍
储能技术是新世纪人类解决能源与环境问题的关键技术之一。经过数十年的发展，传统的锂离子电池性能已经发展到了理论极限，因此寻找下一代高能量密度的二次锂离子电池显得尤为重要。锂硫电池具有高的理论比容量(1675mAhg-1)和能量密度(2600Whkg-1)，是传统锂离子电池的3-5倍，且单质硫储量丰富、环境友好、成本低廉，因此有望成为新一代的电化学储能系统。然而，当前锂硫电池存在以下问题：(1)正极材料单质硫及硫化锂电导率低，导致活性材料难以充分利用；(2)含硫组分间的转化反应动力学较慢，导致电化学过程存在严重的极化，降低了电池的能量效率；(3)可溶性的多硫化物作为电化学反应的中间产物，其高阶产物在电解液中溶解扩散，一方面与金属锂负极发生副反应，导致活性材料的流失和容量的快速衰减，另一方面，作为电化学反应的中间产物溶解于电解液，影响和改变了电解液组成以及活性材料的转化反应。上述问题导致锂硫电池尚未得到大规模应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种电池复合正极材料及其制备方法和电池，用于解决现有锂硫电池正极材料存在电导率低、转化速率慢、多硫化物穿梭效应有待于降低的问题。本专利技术的具体技术方案如下：一种电池复合正极材料，所述电池复合正极材料具有核壳结构；所述核壳结构包括金属-碳壳和设置于所述金属-碳壳内的硫核；所述金属-碳壳由二氧化钛与杂原子掺杂碳形成，所述二氧化钛包覆于所述杂原子掺杂碳内；所述硫核由单质硫形成。优选的，所述杂原子掺杂碳包括氮掺杂碳、硫掺杂碳和磷掺杂碳中的一种或多种。优选的，所述单质硫在所述电池复合正极材料的质量含量为40％～70％；所述二氧化钛在所述电池复合正极材料的质量含量为5％～30％；所述杂原子掺杂碳在所述电池复合正极材料的质量含量为20％～40％。优选的，所述核壳结构的直径为100nm～600nm；所述金属-碳壳的厚度为10nm～50nm；所述硫核的直径为30nm～200nm；所述二氧化钛的粒径为5nm～30nm。优选的，所述金属-碳壳与所述硫核之间设置有空腔。本专利技术还提供了一种电池复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：a)在微球的表面沉积二氧化钛，得到表面沉积有二氧化钛的复合微球；b)在所述复合微球表面包覆高分子，得到高分子包覆的复合微球，再将所述高分子包覆的复合微球在混合气氛下进行碳化处理使所述高分子碳化，得到杂原子掺杂碳包覆的复合微球；c)将所述杂原子掺杂碳包覆的复合微球进行刻蚀处理，除去微球，得到金属-碳壳，再在所述金属-碳壳内负载单质硫，所述单质硫在所述金属-碳壳内形成硫核，得到电池复合正极材料；其中，所述混合气氛中包括氨气、硫化氢和磷化氢中的一种或多种。优选的，步骤c)在所述金属-碳壳内负载单质硫具体包括：将所述金属-碳壳与单质硫混合后置于真空条件中，进行加热处理使所述单质硫熔融扩散至所述金属-碳壳内。优选的，步骤c)在所述金属-碳壳内负载单质硫具体包括：将所述金属-碳壳分散于硫源溶液中，加入表面活性剂后，再加入沉淀剂进行搅拌使单质硫沉积至金属-碳壳内。优选的，所述硫源选自Na2S2O3、Na2SX和硫脲中的一种或多种；所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、辛基苯基聚氧乙烯醚和吐温中的一种或多种；所述沉淀剂选自盐酸、草酸、磷酸和乙酸中的一种或多种。本专利技术还提供了一种电池，所述电池的正极材料包括上述技术方案所述电池复合正极材料和/或上述技术方案所述制备方法制得的电池复合正极材料。本专利技术还提供了一种电池，所述电池的正极材料包括上述技术方案所述电池复合正极材料和/或上述技术方案所述制备方法制得的电池复合正极材料。综上所述，本专利技术提供了一种电池复合正极材料，所述电池复合正极材料具有核壳结构；所述核壳结构包括金属-碳壳和设置于所述金属-碳壳内的硫核；所述金属-碳壳由二氧化钛与杂原子掺杂碳形成，所述二氧化钛包覆于所述杂原子掺杂碳内；所述硫核由单质硫形成。本专利技术中，电池复合正极材料具有核壳结构，包括二氧化钛与杂原子掺杂碳形成的金属-碳壳和设置于金属-碳壳内的硫核，金属-碳壳能够提高电池复合正极材料的电导率并能够对硫及中间产物多硫化物起到限域作用，金属-碳壳中的二氧化钛一方面通过“亲锂”或“亲硫”作用吸附多硫化物，与多硫化物键合，捕捉多硫化物，抑制穿梭效应，提供析硫位点，另一方面还可提供硫和多硫化物转化反应的活性位点，实现电催化作用，提高电极过程动力学，提高电极的转化速率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例提供的一种电池复合正极材料的制备方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例3提供的一种电池复合正极材料的热重图；图3为采用本专利技术实施例2提供的一种电池复合正极材料作正极的电池的首次恒流充放电曲线图；图示说明：1.硫核；2.二氧化钛；3.杂原子掺杂碳；4.微球；5.高分子；6.复合微球；7.高分子包覆的复合微球；8.杂原子掺杂碳包覆的复合微球；9.金属-碳壳；10.电池复合正极材料。具体实施方式本专利技术提供了一种电池复合正极材料及其制备方法和电池，用于解决现有锂硫电池正极材料存在电导率低、转化速率慢、多硫化物穿梭效应有待于降低的问题。下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。一种电池复合正极材料，电池复合正极材料10具有核壳结构；核壳结构包括金属-碳壳9和设置于金属-碳壳9内的硫核1；金属-碳壳9由二氧化钛2与杂原子掺杂碳3形成，二氧化钛2包覆于杂原子掺杂碳3内；硫核1由单质硫形成。本专利技术实施例中，电池复合正极材料具有核壳结构，包括二氧化钛2与杂原子掺杂碳3形成的金属-碳壳9和硫核1，金属-碳壳9能够提高电池复合正极材料10的电导率并能够对硫及中间产物多硫化物起到限域作用，金属-碳壳9中的二氧化钛2一方面通过“亲锂”或“亲硫”作用吸附多硫化物，与多硫化物键合，捕捉多硫化物，抑制穿梭效应，提供析硫位点，另一方面还可提供硫和多硫化物转化反应的活性位点，实现电催化作用，提高电极过程动力学，提高电极的转化速率。本专利技术实施例中，核壳结构为球形结构或类球形结构。本专利技术实施例中，杂原子掺杂碳3包括氮掺杂碳、硫掺杂碳和磷掺杂碳中的一种或多种。本专利技术实施例中，单质硫在电池复合正极材料10的质量含量为60％～70％；二氧化钛2在电池复合正极材料10的质量含量为5％～10％；杂原子掺杂碳3在电池复合正极材料10的质量含量为30％～50％。本专利技术实施例中，核壳结构的直径为100nm～600nm；金属-碳壳9的厚度为10nm～50nm；硫核1的直径为30nm～200nm；二氧化钛2的粒径为5nm～30nm，二氧化钛2连续或不连续地包覆于硫核1。本专利技术实施例中，电池复合正极材料10的表面具有微孔和介孔，微孔的孔径为1nm～2nm；介孔的孔径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池复合正极材料，其特征在于，所述电池复合正极材料具有核壳结构；所述核壳结构包括金属‑碳壳和设置于所述金属‑碳壳内的硫核；所述金属‑碳壳由二氧化钛与杂原子掺杂碳形成，所述二氧化钛包覆于所述杂原子掺杂碳内；所述硫核由单质硫形成。

【技术特征摘要】
1.一种电池复合正极材料，其特征在于，所述电池复合正极材料具有核壳结构；所述核壳结构包括金属-碳壳和设置于所述金属-碳壳内的硫核；所述金属-碳壳由二氧化钛与杂原子掺杂碳形成，所述二氧化钛包覆于所述杂原子掺杂碳内；所述硫核由单质硫形成。2.根据权利要求1所述的电池复合正极材料，其特征在于，所述杂原子掺杂碳包括氮掺杂碳、硫掺杂碳和磷掺杂碳中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的电池复合正极材料，其特征在于，所述单质硫在所述电池复合正极材料的质量含量为40％～70％；所述二氧化钛在所述电池复合正极材料的质量含量为5％～30％；所述杂原子掺杂碳在所述电池复合正极材料的质量含量为20％～40％。4.根据权利要求1所述的电池复合正极材料，其特征在于，所述核壳结构的直径为100nm～600nm；所述金属-碳壳的厚度为10nm～50nm；所述硫核的直径为30nm～200nm；所述二氧化钛的粒径为5nm～30nm。5.根据权利要求1所述的电池复合正极材料，其特征在于，所述金属-碳壳与所述硫核之间设置有空腔。6.一种电池复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)在微球的表面沉积二氧化钛，得到表面沉积有所述二氧化钛的复合微球；b)在所述复合微球表面包覆高分子，得到高分子包覆的复合微球，再将所述高分子包覆的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全兵，李栋，谢盈基，南皓雄，郑育英，党岱，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44