一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料、正极极片及制备方法、锂硫电池技术

本发明专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料、正极极片及制备方法、锂硫电池。添加有二茂铁和谷胱甘肽的复合物作为功能材料引入锂硫电池的正极，可以有效地以物理/化学的方式吸附可溶性多硫化物,同时促进多硫化物的快速转化，从而提高电池内的氧化还原动力学。添加二茂铁和谷胱甘肽的锂硫电池正极具有优异的循环稳定性，在高倍率下具有优异的放电容量。在高倍率下具有优异的放电容量。在高倍率下具有优异的放电容量。

【技术实现步骤摘要】
一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料、正极极片及制备方法、锂硫电池


[0001]本专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料、正极极片及制备方法、锂硫电池。

技术介绍

[0002]可充电电池是清洁能源储存和电动车应用的关键技术。传统的锂离子电池在某种程度上受到其高成本和比能量的限制，在各种电化学系统中，锂硫电池是锂离子电池的一种，正极是元素硫，负极是金属锂，被认为是最有希望的电池设备之一是因为它的高理论比容量和自然硫丰度。然而，锂电池的实际应用主要受到以下挑战的阻碍：（1）硫及其放电产物（Li2S2、Li2S）的绝缘特性，导致比容量低、电子传递能力差；（2）硫在锂化后的体积膨胀大（约80%）导致电极接触面积损耗和结构坍塌；（3）中间产物可溶性多硫化物易溶解在电解液中，在正负两极间迁移，沉积在锂金属阳极上，导致容量衰减，造成臭名昭著的“穿梭效应”。正是这一原因导致了锂硫电池容量衰减迅速，循环寿命短。
[0003]为了解决以上多硫化物“穿梭效应”问题，近些年来，人们在设计材料化学性能和电极结构两方面做出了众多的努力，希望能够使锂硫电池更快更好的投入实际应用。例如，第一代材料以多孔碳为中心，为元素硫的氧化还原反应和可溶性多硫化物的物理吸附提供了良好的电子导电衬底。然而，这些非极性碳与多硫化物的相互作用不足，孔隙体积过大，导致振实密度较低。更重要的是，这种振实度较低的电极结构往往需要较多的电解质进行浸润，从而破坏电池的体积能量密度和面积能量密度平衡。针对以上所存在的这个问题，过渡金属化合物，包括氧化物、硫化物、碳化物和氮化物（MX, M = Ti, Co, V, Nb;X = O, S, C, N）被用于表面吸附固定多硫化物。这种方法的有效性归因于这些宿主材料与多硫化物之间存在的强烈化学相互作用，其中M-S或X-Li键已是大家都所认定的相互作用模式。非常值得一提的是，具有金属性质的化合物对多硫化物的催化转化是有利的，因为它们允许被吸附的多硫化物在其表面被还原/氧化，而不需要多硫化物扩散到非导电衬底。这种吸附反应机制是一种典型的电催化过程，它降低了多硫化物氧化还原反应的能量势垒。众多研究发现，使用这些过渡金属材料大大延长了电池的使用寿命。极性截面可以有效地将锂聚硫化物保持在阴极内，与锂聚硫化物形成相对较强的静电相互作用。然而，过渡金属化合物应用于锂硫电池也面临两个挑战：一是强的Li-X键（路易斯酸碱作用）阻碍了电子直接转移到多硫化物上，可能会延迟了Li
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的扩散，减慢了电极的氧化还原反应动力学。此外，无机固体材料往往具有多种类型的表面位置，难以更准确的识别电极表面与其的相互作用机制，对于进一步探究和分析多硫化物的转化机制以及加快解决阻碍锂硫电池实际应用的问题存在一定的阻碍。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种含有二茂铁/
谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料、正极极片及制备方法、锂硫电池。
[0005]本专利技术提供的第一方面，一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的正极材料，包括载硫材料、二茂铁、谷胱甘肽。
[0006]二茂铁（Fc）一种常用的金属有机化合物，其结构由两个环戊二烯基（Cp）环结合在一个铁原子上，其化学活性高于苯环更易发生亲电取代反应生成二茂铁衍生物，同时二茂铁中的环戊二烯基具有芳香性，易于碱金属阳离子发生cation-π相互作用。二茂铁可以有效吸附可溶性多硫化锂，以抑制活性物质的流失和穿梭效应在正负极之间的发生。
[0007]谷胱甘肽（GSH）是广泛存在于生物体内的一种含有γ-肽键的生物活性三肽，由 L-谷氨酸、L-半胱氨酸和甘氨酸组成，对可溶性中间产物多硫化物有很强的催化转化作用。
[0008]添加有二茂铁和谷胱甘肽的复合物作为功能材料引入锂硫电池的正极，可以有效的物理和化学吸附可溶性多硫化物，同时促进的多硫离子快速的催化转化，从而提高电池内的氧化还原动力学。
[0009]优选地，还包括粘合剂、导电添加剂。
[0010]粘合剂可以采用本领域已知的所有可用于锂硫电池的粘合剂。
[0011]导电剂可以用于增加电极导电性，降低电池的内阻，可以选择导电炭黑、乙炔黑、镍粉、铜粉和导电石墨中的一种或多种，导电剂的含量一般为正极材料中的0-15重量%，优选为0-10重量%。
[0012]优选地，所述载硫材料为导电碳-硫复合材料。
[0013]碳材料具有高导电性可有效提高正极材料导电性，常见的导电碳材料包括碳纳米管、石墨烯、多孔碳等。碳纳米管（CNTs）呈六边形排列，具有比表面积大、强导电性、微孔结构丰富等优点；石墨烯是一种被分离出来的单原子层平面石墨，被认为是一种非常理想的载硫正极材料；多孔碳材料丰富的多孔结构可增强对多硫离子的物理吸附，较大的比表面积可明显改善电池的电化学性能。
[0014]本专利技术提供的第二方面，一种正极极片，包括集流体和涂覆在集流体上的如上述的含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料。
[0015]其中集流体可以是本领域技术人员所公知的各种集流体，如铝箔、铜箔、镀镍钢带等。
[0016]本专利技术提供的第三方面，如上述的正极极片的制备过程包括以下步骤：先将二茂铁、谷胱甘肽、粘合剂、导电添加剂分散到溶剂中形成均匀的粘稠液，然后与导电碳-硫复合材料混合，搅拌均匀，形成浆料，均匀涂覆在集流体上，烘干，得到含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的正极材料。
[0017]其中溶剂可以选择常规溶剂，如N-甲基吡咯烷酮（NMP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二乙基甲酰胺（DEF）、二甲亚砜（DMSO）、四氢呋喃（THF）以及水和醇类中的一种或多种。溶剂的用量能使形成的浆料能够涂覆在集流体上即可。
[0018]本专利技术提供的第四方面，一种锂硫电池，包括正极、负极、隔膜和非水性电解质，所述正极为如上述的正极极片。
[0019]本专利技术的有益效果如下：添加二茂铁和谷胱甘肽的锂硫电池正极具有优异的循环稳定性，在高倍率下具有优异的放电容量。
附图说明
[0020]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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。
[0021]图1为CNTs-S复合材料的TGA图；图2为四种复合电极CV测试曲线图，（a）是CNTs-S/Fc+GSH电池的前四圈的CV测试曲线图，（b）、（c）和（d）分别是CNTs-S/Fc、CNTs-S/GSH和CNTs-S电池的循环伏安测试曲线图，（e）是四种电池第二圈CV循环曲线的对比图；图3中，（a）CNTs-S/Fc+GSH、CNTs-S/Fc、CNTs-S/GSH和CNTs-S电极在不同电流密度下的倍率性能图；（b）CNTs-S/Fc+GSH电极在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料，其特征在于：包括载硫材料、二茂铁、谷胱甘肽。2.根据权利要求1所述的含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料，其特征在于：还包括粘合剂、导电添加剂。3.根据权利要求1所述的含有二茂铁/谷胱甘肽复合物的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述载硫材料为导电碳-硫复合材料。4.一种正极极片，其特征在于：包括集流体和涂覆在集流体上的如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：周苏雅，聂华贵，禅丹，张永贵，孔素珍，东洋洋，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：