MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池技术

本发明专利技术公开了一种MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池，其中该MXene包覆硫复合材料具有MXene材料包覆硫球的核壳结构。该复合材料可以作为锂硫电池的正极材料，本发明专利技术还包括一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括将该复合材料进一步与引发剂混合，得到MXene与聚硫的复合材料；将本发明专利技术的复合材料或锂硫电池正极材料应用于锂硫电池中，其中的MXene能够有效地促进硫氧化还原反应的动力学，将其用于锂硫电池的正极材料中，能够起到吸附液相的多硫化物避免其溶解到有机电解液中导致的穿梭效应，同时还能够具有促进正极材料硫的动力学反应，从而提高锂硫电池的循环以及倍率性能。环以及倍率性能。环以及倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池
[0001]本申请是分案申请，其母案是申请日为2020年3月13日，申请号为 202010175425.1、专利技术名称为“锂硫电池的载硫材料及正极材料”的专利技术专利申请。


[0002]本专利技术涉及能源存储领域，更具体地涉及一种MXene包覆硫复合材料、锂硫电池正极材料的制备方法和电池。

技术介绍

[0003]锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAhg
‑1和2600Wh kg
‑1，远远高于商业上广泛应用的锂离子电池的容量。并且，单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点，锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一，受到全世界科研界和产业界的高度关注，也是未来各国布局的重点研究方向之一。
[0004]锂硫电池在实际应用中，其中的硫正极通常表现出严重的容量衰减和低的倍率性能，原因在于以下几点：
[0005](1)单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低 (5.0
×
10
‑
30
Scm
‑1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；
[0006](2)硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66g cm
‑3，在充放电过程中有高达 79％的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减；
[0007](3)锂硫电池的中间放电产物(可溶性多硫化物，LiPS，Li2S
n
，4≤n≤8) 会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性，多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费(穿梭效应)；
[0008](4)硫正极的放电过程是从固态硫到可溶性多硫化物Li2S
n
和固态Li2S(固
ꢀ‑
液
‑
固)的多相转化，具有低的动力学反应性。
[0009]解决前两个问题，目前主要是通过将活性物质硫与导电的碳材料复合，如介孔碳、碳纳米管、石墨烯，以改善硫正极的电导性并限制体积变化。为抑制LiPS 的穿梭效应，将对LiPS具有高亲和力的电极材料，如杂原子掺杂碳，过渡金属化合物和聚合物引入到硫正极中，研究证明了它们之间强相互作用对抑制硫正极极中的可溶性LiPS非常有效。
[0010]对于硫的多相转化反应的动力学活性较慢的问题，研究发现这种缓慢的动力学反应主要来自限速步骤：Li2S2→
Li2S，该步骤的吉布斯自由能ΔG＝0.6～1.3eV，是其他步骤的近3～4倍(如，步骤：Li2S8→
Li2S4的ΔG＝0.01～0.4eV)，为了促进限速反应的进行，目前主要在硫正极中加入各种催化剂，比如贵金属(如Pt)、过渡金属(如Co、Fe、Ni等)以及金属化合物(氧化物、二硫化物和磷化物)，以此来提高限速反应的反应速率。目前，对高电催化活性的催化剂的研究仍然处于起步阶段，开发出具有高活性的催化剂对于提高硫正极的电
化学性能，乃至锂硫电池进一步商业化具有至关重要的意义。

技术实现思路

[0011]为了解决上述锂硫电池中硫正极的技术问题，本专利技术一方面提供一种锂硫电池的载硫材料，该载硫材料为具有二维片层结构的MXene材料，其化学通式用 M
n+1
X
n
表示，其中M指过渡族金属元素，X指C和/或N元素，n为1至3，其中，所述二维片层结构中具有单原子分散的掺杂原子，所述掺杂原子具有促进硫的多相转化反应的电催化活性。
[0012]在一些实施例中，所述掺杂原子为金属元素，该金属元素的原子外层具有d 轨道电子；或者，所述掺杂原子为非金属元素，该非金属元素的原子外层具有孤对电子。
[0013]在一些实施例中，所述金属元素包括：锌、镍、钴、铁、铂、铜、银、金、镁、钙、镓、铟、锡、硅、锗、锑、铋、铅或铝中的一种或多种。
[0014]在一些实施例中，所述非金属元素包括：N、P、S、O、F、Br或I中的一种或多种。
[0015]在一些实施例中，所述过渡族金属包括：Ti、Mo、W、Zr、Hf、V、Nb、 Ta、Cr或Sc中的一种或多种。
[0016]本专利技术再一方面还提供一种锂硫电池的正极材料，包括：硫和上述本专利技术的载硫材料。
[0017]在一些实施例中，所述硫是球形的琉球，所述载硫材料包覆于所述琉球的表面。
[0018]在一些实施例中，所述硫是无定形的聚硫，所述载硫材料分散于所述聚硫的内部。
[0019]在一些实施例中，所述载硫材料的质量含量介于5wt.％至20wt.％之间。
[0020]本专利技术还提供一种锂硫电池，该锂硫电池的正极中含有上述本专利技术的载硫材料。
[0021]本专利技术载硫材料用于锂硫电池的正极，具有的有益技术效果在于：
[0022](1)本专利技术载硫材料的MXene基体上含有单原子分散的掺杂原子，能够增强对液相多硫化物的吸附作用，避免其溶解到有机电解液中，而导致的电解液黏度增加，离子导电性降低，多硫离子在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费等问题；
[0023](2)本专利技术载硫材料的MXene基体上含有单原子分散的掺杂原子具有高催化活性，能够降低多硫化物电化学转化的能垒，促进正极材料硫的动力学反应；
[0024](3)由于本专利技术载硫材料的吸附作用与高催化活性的共同作用，电子能够在载硫材料和硫正极之间快速的迁移；
[0025](4)在硫正极的放电过程的可溶性多硫化物转变为固相的Li2S的过程中，本专利技术载硫材料能够以MXene基体上含有单原子分散的掺杂原子为核进行成核沉积，有利于正极结构的稳定性。
[0026]除此以外，本专利技术的载硫材料的基体MXene材料还具有优异的导电性能，本专利技术的载硫材料添加于锂硫电池的硫正极中，还能够改善单质硫的电子导电性和离子导电性差的问题，提高硫正极的电导性，从而提升锂硫电池的倍率性能。而MXene材料类似于石墨烯的二维片层的结构特性，使得当本专利技术的载硫材料分散于硫正极中，能够起到缓冲硫的体积变化的，使得硫正极在充放电过程中更具有结构的稳定性的效果。
[0027]本专利技术载硫材料属于新型催化材料，能够明显的提高锂硫电池的循环和倍率性能，对于锂硫电池的进一步商业化具有重要的意义。
附图说明
[0028]图1本专利技术一实施例中载硫材料SA
‑
Zn
‑
MXene的透射电镜(STEM)照片及其选定区域的能谱(EDS)分析；
[0029]图2本专利技术一实施例中载硫材料SA
‑
Zn
‑
MXene的X射线光电子能谱(XPS)；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene包覆硫复合材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：将MXene材料与琉球混合分散于溶液中，再过滤后干燥，得到具有MXene包覆硫核壳结构的复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特方法征在于，所述MXene材料的晶格位上具有单原子分散的掺杂金属原子；和/或，所述MXene的质量含量介于5wt.％至20wt.％之间；和/或，所述琉球为含有硫单质和粘合剂的颗粒。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述掺杂金属原子选自于锌、镍、钴、铁、铂、铜、银、金、镁、钙、镓、铟、锡、硅、锗、锑、铋、铅或铝中的一种或多种；和/或，所述琉球的粒径介于0.5μm至1μm。4.如权利要求2或3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述MXene的制备方法包括：将所述掺杂金属的金属盐与MAX相材料混合，并在预定温度下退火，冷却至室温后，将获得的产物加入酸液中并搅拌预定时间后得到的分散体，离心并洗涤几次以除去残留的盐和酸，得到中间产物；将所述中间产物分散于溶剂中超声处理后，收集液相中的分散物，得到所述MXene材料；或，将所述掺杂金属的金属盐、刻蚀剂和MAX相材料在溶液中混合后保持预定时间，得到所述MXene材料。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，张迪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：