一种锂硫电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术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。该正极材料为硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。该正极材料不仅减少循环时硫的体积膨胀，而且抑制多硫化物的穿梭效应；所述制备方法简单有效，易于实现大规模和低成本工业化。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料及其制备方法
本专利技术属于锂硫电池的
，具体的涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着科技的进步和社会的发展，人们对电子产品的需求不断增加，加上当今市场快速发展的电动汽车产业，太阳能、风能等储能行业，航空航天储能产业等都对电池提出了更高的要求。传统的锂离子电池具有循环寿命长、工艺成熟、环境友好等优点，但由于其理论容量一般不超过300mAh/g，远不能满足需要高能量密度储能系统如电动汽车等大型设备的需求。而单质硫的理论比容量为1672mAh/g，与锂片组装成锂硫电池的理论能量密度为2600Wh/kg。锂硫电池因其较高的能量密度而引起社会的广泛关注，然而其在充放电过程中常常会出现穿梭效应而导致循环性能较差，且由于单质硫不导电、在充放电过程中产生的中间产物多硫化锂导电性较差、充放电过程中产生的体积膨胀等问题严重阻碍了锂硫电池的大规模生产与发展。为了解决上述问题，许多科研工作者对其进行了研究，大体分为三类：(1)选择合适的正极材料，与硫复合，作为硫宿主，提高硫导电性的同时在结构上对中间产物多硫化锂进行包覆，抑制其在充放电过程中的溶解，提高电极材料中活性物质的利用率；(2)对负电极锂片进行保护；(3)选择合适的电解质体系。目前针对锂硫电池存在的诸多问题，对硫正极改性的材料应具有以下主要特点：(1)良好的导电性，以利于电子在电极中的传输，促进固/液界面反应动力学；(2)拥有尺寸合适且丰富的孔道结构和一定的机械强度，可使活性物质硫在基质材料上高度分散，内部孔道网络既能保证离子和电子的传输，又能在放电过程中缓解体积膨胀和收缩应力造成的结构坍塌；(3)对多硫化锂有强度适宜的吸附作用，从而达到抑制穿梭效应，提高活性物质利用率及电池长程稳定性的目的；(4)对锂硫电池中硫物种之间的转化反应具有一定的催化作用。
技术实现思路
本专利技术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，该正极材料不仅减少循环时硫的体积膨胀，而且抑制多硫化物的穿梭效应；所述制备方法简单有效，易于实现大规模和低成本工业化。本专利技术的技术方案为：一种锂硫电池正极材料为硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备碳化钽：首先将Ta2AlC粉末与HF水溶液进行混合，搅拌得到产物；然后采用去离子水和无水乙醇将产物洗涤至pH值为4～7，烘干得到碳化钽；(2)制备五氧化二钽/碳/碳化钽：称取步骤(1)所得碳化钽于瓷舟上并置于管式炉中，首先在管式炉中以100～300mL/min的速率通入氩气0.5～1h，然后以1～10℃/min的升温速率将温度升高至500℃～900℃，并在此温度下通入二氧化碳气体，保温10～120min，然后以100～300mL/min的速率向管式炉中通氩气，待管式炉自然降温，得到五氧化二钽/碳/碳化钽；(3)制备硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料：首先称取纳米硫和步骤(2)所得五氧化二钽/碳/碳化钽进行混合，将混合物置于研钵中研磨成粉体；然后在研钵中滴加二硫化碳再次进行充分研磨，再放入反应釜中在温度为120～170℃，保温6～18h条件下进行水热反应，即可得到硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。所述步骤(1)中Ta2AlC粉末：HF水溶液为0.2g：1.5mL；其中HF水溶液质量分数为40％～55％。所述步骤(1)中搅拌具体为在20℃～60℃下搅拌72h～240h；烘干具体为在真空烘箱中60～70℃条件下烘干。所述步骤(2)中称取100～200mg步骤(1)所得碳化钽。所述步骤(3)中按质量比纳米硫：步骤(2)所得五氧化二钽/碳/碳化钽为2～5：1。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述复合材料在设计过程中充分考虑了锂硫电池正极材料中硫基复合材料的结构问题，创新性地提出了该工艺制备五氧化二钽/碳/碳化钽。从形貌方面讲，具有手风琴状的多层五氧化二钽/碳/碳化钽作为硫的载体能更好地包覆硫，减少循环时硫的体积膨胀，且层状结构使本材料暴露出更多的活性位点，可以加快电子和离子的传输效率，提高传质速率，促进锂硫电池充放电过程中的氧化还原反应，促进多硫化物的转化，因此活性物质的利用率得到提高，从而提高锂硫电池的电化学性能。从物质方面讲，五氧化二钽作为过渡族金属氧化物，可以增加吸附性，即更好、更多的吸附多硫化物，从而抑制多硫化物的穿梭效应；碳化钽与包覆在其外的碳协同，在锂硫电池中可以增加导电性。可以提高锂硫电池正极材料的电化学性能及循环稳定性。所述制备方法简单、有效，易于实现该复合材料大规模和低成本工业化，具备高产量与工业可行性特点。附图说明图1为实施例1中所得硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料作为正极材料应用于锂硫电池时在0.2C下的首次电化学充放电曲线；图2为实施例1中所得硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料作为正极材料应用于锂硫电池时在0.2C下前50圈的放电比容量。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备碳化钽：首先将0.2gTa2AlC粉末与1.5mL质量分数为40％的HF水溶液进行混合，在60℃下搅拌120h得到产物，其Ta2AlC粉末0.2g：HF水溶液为0.2g：1.5mL；然后采用去离子水和无水乙醇将产物洗涤至pH值为4～7，在真空烘箱中60～70℃条件下烘干得到碳化钽；(2)制备五氧化二钽/碳/碳化钽：称取0.1g步骤(1)所得碳化钽于瓷舟上并置于管式炉中，装好二氧化碳一步氧化法装置后，首先在管式炉中以200mL/min的速率通入氩气1h，然后以5℃/min的升温速率将温度升高至800℃，并在此温度下通入二氧化碳气体，保温30min，然后以200mL/min的速率向管式炉中通氩气，待管式炉自然降温，得到五氧化二钽/碳/碳化钽；(3)制备硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料：首先称取纳米硫和步骤(2)所得五氧化二钽/碳/碳化钽进行混合，其中按质量比纳米硫：步骤(2)所得五氧化二钽/碳/碳化钽为3：1；将混合物置于研钵中研磨成均匀细小的粉体；然后在研钵中滴加适量二硫化碳再次进行充分研磨，再放入反应釜中在温度为155℃，保温12h条件下进行水热反应，即可得到硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。由图1可知，在0.2C电流密度下，该实施例所得材料作为正极材料用于锂硫电池的首次放电容量高达1197mAh﹒g-1。由图2可知，在0.2C电流密度下，该实施例所得材料作为正极材料用于锂硫电池的循环性能较好，稳定在大约1200mAh/g。实施例2所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备碳化钽：首先将0.2gTa2AlC粉末与1.5mL浓度为40％的HF水溶液进行混合，在60℃下搅拌120h得到产物，其Ta2AlC粉末0.2g：HF水溶液为0.2g：1.5mL；然后采用去离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料，其特征在于，该正极材料为硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料，其特征在于，该正极材料为硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料。


2.一种权利要求1所述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)制备碳化钽：首先将Ta2AlC粉末与HF水溶液进行混合，搅拌得到产物；然后采用去离子水和无水乙醇将产物洗涤至pH值为4～7，烘干得到碳化钽；
(2)制备五氧化二钽/碳/碳化钽：称取步骤(1)所得碳化钽于瓷舟上并置于管式炉中，首先在管式炉中以100～300mL/min的速率通入氩气0.5～1h，然后以1～10℃/min的升温速率将温度升高至500℃～900℃，并在此温度下通入二氧化碳气体，保温10～120min，然后以100～300mL/min的速率向管式炉中通氩气，待管式炉自然降温，得到五氧化二钽/碳/碳化钽；
(3)制备硫/五氧化二钽/碳/碳化钽复合材料：首先称取纳米硫和步骤(2)所得五氧化二钽/碳/碳化钽进行混合，将混合物置于研钵中研磨成粉体；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，宋彩玲，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44