一种室温固态锂硫电池用电极材料及其制备方法以及固态锂硫电池技术

本发明专利技术提供了一种室温固态锂硫电池用电极材料，由过渡金属硫化物与硫复合而成。本发明专利技术提供的电极材料可以满足室温固态锂硫电池的使用，能够提高室温固态锂硫电池的电化学性能，一方面是由于过渡金属硫化物电极材料具有较高的电导率，能够解决单质硫导电性差的问题，提高电化学反应动力学，使得固态锂硫电池能够在室温条件下正常工作。另一方面，过渡金属硫化物电极材料通过材料设计与单质硫复合，能够提高活性物质的结构稳定性，解决单质硫在循环过程中较大的体积变化，从而有效提高固态锂硫电池循环稳定性。因此，本发明专利技术提供的过渡金属硫化物与单质硫复合的电极材料具有较高的放电比容量和较长的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种室温固态锂硫电池用电极材料及其制备方法以及固态锂硫电池
本专利技术属于固态锂硫电池
，具体涉及一种室温固态锂硫电池用电极材料及其制备方法以及固态锂硫电池。
技术介绍
锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长和无记忆效应等优点，已经在便携式电子产品和通讯等储能领域得到广泛的应用，未来在动力汽车和智能电网等领域具有广阔的发展前景。但是，传统锂离子电池通常采用有机电解液作为锂离子导电介质，存在易燃、漏液和爆炸等安全性问题，使得锂离子电池的应用受到限制。同时，传统的锂离子电池采用含锂的过渡金属氧化物或磷酸盐电极作为正极材料而石墨或钛酸锂作为负极材料，这类材料尽管具有较高的工作电压，但是理论比容量低，因此，无法满足高能量密度电池的需求。锂硫电池以单质硫或硫化物作为正极活性物质，金属锂作为负极。其中，单质硫具有高的理论比容量(1675mAh/g)，资源丰富，成本低廉和环境友好等优点，已成为化学储能电池领域的热点之一。然而，传统的锂硫电池由于有机电解液和金属锂的存在，安全性问题依然无法完全解决。金属锂与电解液直接接触会发生一系列副发应，而在表面生成一层不均匀的固体电解质膜。而在循环过程中由于电流密度分布不均匀，锂枝晶会不断生长而造成隔膜刺穿，最终导致电池短路而失效。同时，单质硫的绝缘特性以及可溶解的多硫化物的穿梭效应和严重的体积变化都会导致电池容量的快速衰减。为了解决上述问题，研究者尝试将单质硫束缚在碳材料或者导电聚合物中，然而，多硫化物的穿梭效应依然存在。固态电池采用无机固体电解质或者聚合物电解质取代传统锂离子电池中的有机电解液，具有更高的安全性和可靠性，被认为是彻底解决锂离子电池安全性问题的终极手段。同时固体电解质可以完全抑制多硫化物的溶解和穿梭效应，防止锂枝晶生长所导致的短路。然而，固态电池使用固体电解质会增加局部应力/应变和界面电阻，降低电化学反应动力学。因此，如何构筑良好的电子/离子通道、降低界面应力/应变，是提高固态锂硫电池的关键所在。目前，为了降低界面阻抗，提高反应动力学，大部分的固态锂硫电池都需要在较高的温度(≥60℃)下工作。目前，寻找合适的电极材料以满足室温固态锂硫电池的使用迫在眉睫。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种室温固态锂硫电池用电极材料及其制备方法以及固态锂硫电池，本专利技术提供的固态锂硫电池用电极材料可以满足室温固态锂硫电池的使用，具有较高的导电性，并且能够提升电池的能量密度以及循环稳定性。本专利技术提供了一种室温固态锂硫电池用电极材料，其特征在于，由过渡金属硫化物与硫复合而成。优选的，所述硫占所述电极材料的质量百分比为2wt％～80wt％，所述硫选自升华硫。优选的，所述过渡金属硫化物的尺寸为1nm～100μm。优选的，所述过渡金属硫化物选自铁基多硫化物、钴基多硫化物、镍基多硫化物、钼基多硫化物和钒基多硫化物中的一种或多种。优选的，所述铁基多硫化物选自二硫化铁、四硫化三铁和八硫化七铁中的一种或多种；所述钴基硫化物选自二硫化钴和八硫化九钴中的一种或多种；所述镍基多硫化物选自二硫化镍和四硫化三镍中的一种或多种；所述钼基多硫化物选自二硫化钼和三硫化钼的一种或多种；所述钒基多硫化物选自二硫化钒、四硫化钒和八硫化五钒中的一种或多种。优选的，所述过渡金属硫化物采用水热法或沉淀法制备得到。本专利技术还提供了一种上述电极材料的制备方法，包括以下步骤：A)将过渡金属硫化物与硫混合后进行球磨，得到混合物；B)在密闭条件下，将所述混合物在高温条件下进行反应，得到固态锂硫电池用电极材料。优选的，所述球磨的转速为100～400rpm，时间为1～36h。优选的，所述反应的温度为120～360℃，时间为1～36h。本专利技术还提供了一种固态锂硫电池，包括正极、负极和电解质，所述正极包括上述电极材料。与现有技术相比，本专利技术提供了一种固态锂硫电池用电极材料，由过渡金属硫化物与硫复合而成。本专利技术提供的电极材料可以满足室温固态锂硫电池的使用，能够提高室温固态锂硫电池的电化学性能，一方面是由于过渡金属硫化物电极材料具有较高的电导率，能够解决单质硫导电性差的问题，提高电化学反应动力学，使得固态锂硫电池能够在室温条件下正常工作。另一方面，过渡金属硫化物电极材料通过材料设计与单质硫复合，能够提高活性物质的结构稳定性，解决单质硫在循环过程中较大的体积变化，从而有效提高固态锂硫电池循环稳定性。因此，本专利技术提供的过渡金属硫化物与单质硫复合的电极材料具有较高的放电比容量和较长的循环寿命。附图说明图1为实施例1制备的电极材料的XRD图；图2为实施例1制备的电极材料的SEM图；图3为实施例1制备的电极材料在30mA/g下的充放电曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种室温固态锂硫电池用电极材料，由过渡金属硫化物与硫复合而成。在所述室温固态锂硫电池用电极材料中，所述复合的方式为物理复合，即在所述过度金属硫化物表面包覆一层单质硫。在本专利技术中，所述硫占所述电极材料的质量百分比为2wt％～80wt％，优选为10wt％～50wt％，更优选为20wt％～40wt％。所述硫选自升华硫。本专利技术所述过渡金属硫化物不仅作为单质硫的载体，能够提高单质硫的电导率，提高室温电化学反应动力学。同时能够缓解单质硫在循环过程中的体积变化，提高室温固态锂硫电池的循环稳定性。在本专利技术中，所述过渡金属硫化物为本领域技术人员公知的过渡金属硫化物，对其来源并没有特殊限制，可以为市售也可以自行制备。优选的，本专利技术选用特定形貌的过渡金属硫化物进行电极材料的制备，优选采用水热法或沉淀法制备得到。本专利技术通过控制水热法以及沉淀法的制备工艺参数(例如反应时间和温度)，从而调整所述过渡金属硫化物的形貌，在本专利技术中，所述过渡金属硫化物优选为球形，类球形，颗粒，花球，中空球型。所述过渡金属硫化物的尺寸为1nm～100μm。在本专利技术中，所述过渡金属硫化物选自铁基多硫化物、钴基多硫化物、镍基多硫化物、钼基多硫化物和钒基多硫化物中的一种或多种。在本专利技术的一些具体实施方式中，所述铁基多硫化物选自二硫化铁、四硫化三铁和八硫化七铁中的一种或多种；所述钴基硫化物选自二硫化钴和八硫化九钴中的一种或多种；所述镍基多硫化物选自二硫化镍和四硫化三镍中的一种或多种；所述钼基多硫化物选自二硫化钼和三硫化钼的一种或多种；所述钒基多硫化物选自二硫化钒、四硫化钒和八硫化五钒中的一种或多种。在本专利技术的一些具体实施方式中，所述过渡金属硫化物选自二硫化铁、四硫化钒、三硫化钼、硫化钴和二硫化镍中的一种或多种。本专利技术还提供了一种上述固态锂硫电池用电极材料的制备方法，包括以下步骤：A)将过渡金属硫化物与硫混合后进行球磨，得到混合物；B)将所述混合物在高温高压条件下进行反应，得到固态锂硫电池用电极材料。本专利技术首先将过渡金属硫化物与硫进行混合，本专利技术对二者的混合方式并没有特殊限制，优选采用手动研磨混合。接着，进行球磨。其中，所述球磨的转速为100～400rpm，优选为200～300rpm；时间为1～36h，优选为2～30h。所述过渡金属硫化物与硫的质量比为(0.01～10):(0.01～10)，优选为(0.1～1)：(0.1～1)。得到混合物之后，将所述混合物在高温高压条件下进行反应，得到固态锂硫电池用电极材料。具体的，将所述混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室温固态锂硫电池用电极材料，其特征在于，由过渡金属硫化物与硫复合而成。

【技术特征摘要】
1.一种室温固态锂硫电池用电极材料，其特征在于，由过渡金属硫化物与硫复合而成。2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述硫占所述电极材料的质量百分比为2wt％～80wt％，所述硫选自升华硫。3.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述过渡金属硫化物的尺寸为1nm～100μm。4.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述过渡金属硫化物选自铁基多硫化物、钴基多硫化物、镍基多硫化物、钼基多硫化物和钒基多硫化物中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的电极材料，其特征在于，所述铁基多硫化物选自二硫化铁、四硫化三铁和八硫化七铁中的一种或多种；所述钴基硫化物选自二硫化钴和八硫化九钴中的一种或多种；所述镍基多硫化物选自二硫化镍和四硫化三镍中的一种或多种；所述钼基多硫化物选自二硫化钼和三硫化钼...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚霞银，张强，让·皮埃尔·麦克韦泽瓦，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33