一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂硫电池技术领域，公开了一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用。该正极材料包括自支撑碳基体、负载于自支撑碳基体上的单质硫以及沉积于单质硫上的铁基催化剂层；自支撑碳基体的厚度为50

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池
，具体涉及一种锂硫电池自支撑正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]新能源产业尤其是电动汽车行业不断的发展，促进了市场对电动汽车提出了更高的技术标准。传统锂离子电池由于受正极材料理论容量和成本的限制，难以在能源及交通等领域得到更加广泛的应用。
[0003]锂硫电池(Li
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S)是上世纪60年代提出来的二次电池的概念，它是由锂金属(Li)作为负极材料、单质硫(S)作为正极材料构建的一种二次电池体系。从经济上和保护环境的角度来说，S在地球上的储量丰富，来源广泛，因此价格非常便宜，同时S单质无毒，是一种环境友好型的电极材料。
[0004]目前，锂离子电池已接近其理论能量密度上限，但仍不能满足电动汽车的高能量密度需求。不断增长的高能量密度需求促进了锂硫电池的发展，作为最有前途的下一代可充电电池。
[0005]然而，尽管具有上述突出的优点，但是锂硫电池距离商业化应用还有一段的距离，导致这种现状的最主要问题是充放电反应过程中生成的多硫化物能够溶解在有机电解液中，这些溶解的多硫化物会扩散到Li金属表面与Li发生直接接触式的反应，破坏Li金属表面的SEI膜，促进锂枝晶的形成，导致电池短路。同时最明显的是溶解的多硫化物会不断地消耗活性物质导致Li
‑
S电池的循环性能很差。这些由于多硫化物溶解导致的一系列不良效应被称为“穿梭效应”。
[0006]因此，抑制长链多硫化锂穿梭和提高活性硫正极利用率是实现高性能锂硫电池的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了提供一种锂硫电池自支撑正极材料，有效抑制多硫化锂穿梭和提高活性硫正极的利用率，从而使得制备得到的锂硫电池具有良好的循环性能。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种锂硫电池自支撑正极材料，该正极材料包括自支撑碳基体、负载于所述自支撑碳基体上的单质硫以及沉积于所述单质硫上的铁基催化剂层；
[0009]所述自支撑碳基体的厚度为50μm
‑
200μm；
[0010]所述单质硫的负载量为1
‑
5mg/cm2；
[0011]所述铁基催化剂层的厚度为5nm
‑
20nm，且形成所述铁基催化剂层的催化剂选自三氧化二铁、四氧化三铁、四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。
[0012]优选情况下，所述自支撑碳基体的厚度为100μm
‑
150μm。
[0013]优选情况下，所述铁基催化剂层的厚度为5nm
‑
10nm。
[0014]优选地，所述单质硫的负载量为1
‑
3mg/cm2。
[0015]优选情况下，形成所述铁基催化剂层的催化剂选自四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。
[0016]本专利技术第二方面提供一种制备第一方面所述的锂硫电池自支撑正极材料的方法，该方法包括：
[0017](1)在惰性气氛存在下，将自支撑碳基体前驱体进行碳化处理，得到自支撑碳基体；
[0018](2)采用熔融扩散法在所述自支撑碳基体的一侧负载单质硫，得到负载有单质硫的自支撑碳基体I；
[0019](3)采用原子沉积法将反应气和铁源沉积于所述自支撑碳基体I中负载有所述单质硫的一侧后反应，得到铁基催化剂层。
[0020]优选情况下，在步骤(1)中，所述自支撑碳基体前驱体选自细菌纤维素、羧甲基纤维素、聚多巴胺膜、聚吡咯膜、棉质纤维纸、滤纸、三聚氰胺泡沫中的至少一种。
[0021]优选地，在步骤(1)中，所述碳化处理的条件包括：碳化温度为600
‑
1200℃，碳化时间为0.5
‑
6h。
[0022]优选地，在步骤(2)中，所述熔融扩散法的条件至少包括：温度为150
‑
160℃，时间为15
‑
20h。
[0023]优选情况下，在步骤(3)中，所述原子沉积法的条件各自独立地包括：沉积时间为5
‑
20s，沉积温度为150
‑
200℃。
[0024]优选地，在步骤(3)中，所述反应气选自硫化氢、氨气、臭氧、氩气中的至少一种。
[0025]优选地，在步骤(3)中，所述铁源为二茂铁。
[0026]本专利技术第三方面提供第一方面所述的锂硫电池自支撑正极材料在锂硫电池中的应用。
[0027]本专利技术提供的锂硫电池自支撑正极材料能够以碳基体为集流体和导电剂，从而减少导电剂和铝集流体的使用，降低电池制造成本。
[0028]特别地，本专利技术通过在锂硫电池自支撑正极材料表面沉积铁基催化剂层，能够通过物理阻隔和化学吸附多硫化物，催化加速多硫化物反应动力学，有效地抑制穿梭效应，提高活性硫正极的利用率，还能改善锂负极表面环境，避免锂枝晶的生成。
[0029]本专利技术提供的制备锂硫电池自支撑正极材料的方法能够将铁基催化剂层均匀地沉积在单质硫的表面，以确保催化剂能够与多硫化物直接接触；同时，铁基催化剂层的厚度能够达到5
‑
20nm，进而增加催化剂颗粒的比表面积，显著增加铁基催化剂与多硫化物的接触面积，从而提高铁基催化剂的催化效率。
附图说明
[0030]图1是本专利技术提供的锂硫电池自支撑正极材料一种特别优选的具体实施方式的结构示意图。
[0031]附图标记
[0032]1、铁基催化剂层2、单质硫
[0033]3、自支撑碳基体
具体实施方式
[0034]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0035]以下结合本专利技术提供的图1对本专利技术所述的锂硫电池自支撑正极材料和制备锂硫电池自支撑正极材料的方法进行详细描述。
[0036]如前所述，本专利技术的第一方面提供了一种锂硫电池自支撑正极材料，该正极材料包括自支撑碳基体3、负载于所述自支撑碳基体3上的单质硫2以及沉积于所述单质硫2上的铁基催化剂层1；
[0037]所述自支撑碳基体3的厚度为50
‑
200μm；
[0038]所述单质硫2的负载量为1
‑
5mg/cm2；
[0039]所述铁基催化剂层1的厚度为5
‑
20nm，且形成所述铁基催化剂层1的催化剂选自三氧化二铁、四氧化三铁、四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。
[0040]优选情况下，所述自支撑碳基体3的厚度为100
‑
150μm。
[0041]优选情况下，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池自支撑正极材料，其特征在于，该正极材料包括自支撑碳基体(3)、负载于所述自支撑碳基体(3)上的单质硫(2)以及沉积于所述单质硫(2)上的铁基催化剂层(1)；所述自支撑碳基体(3)的厚度为50μm
‑
200μm；所述单质硫(2)的负载量为1
‑
5mg/cm2；所述铁基催化剂层(1)的厚度为5nm
‑
20nm，且形成所述铁基催化剂层(1)的催化剂选自三氧化二铁、四氧化三铁、四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述自支撑碳基体(3)的厚度为100μm
‑
150μm；和/或所述铁基催化剂层(1)的厚度为5nm
‑
10nm。3.根据权利要求1或2所述的正极材料，其特征在于，所述单质硫(2)的负载量为1
‑
3mg/cm2。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的正极材料，其特征在于，形成所述铁基催化剂层(1)的催化剂选自四硫化三铁、八硫化七铁、氮化铁和碳化铁中的至少一种。5.一种制备权利要求1
‑
4中任意一项所述的锂硫电池自支撑正极材料的方法，其特征在于，该方法包括：(1)在惰性气氛存在下，将自支撑碳基体前驱体进行碳化处理，得到自支撑碳基体；(2)采用熔融扩散法在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉娇，胡恒广，闫冬成，
申请(专利权)人：东旭科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：