[发明专利]基于富硫过渡金属硫化物的金属-硫电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于富硫过渡金属硫化物的金属‑硫电池及其制备方法，包括正极、负极以及电解液；所述负极为金属；所述正极包括过渡金属硫化物，所述过渡金属硫化物的化学式为MS_x，其中x≥3；M为钒、铌、钛、钼、钨、铁、钴和镍中的一种或一种以上；所述金属为锂、钠、钾、镁、铝、锌或者铁；所述电解液为酯类电解液或者醚类电解液。本发明采用一类过渡金属多硫化物作为与硫当量的正极材料，来实现一种新的金属硫电池比如锂硫和钠硫电池体系，进而使得金属‑硫电池的应用潜力进一步提升。

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于富硫过渡金属硫化物的金属-硫电池及其制备方法。

背景技术

随着锂离子电池向电动汽车、航空、军事等大型领域的发展，锂离子电池的能量密度、功率密度等性能指标需要进一步提高。但是受限于锂离子电池电极材料理论比容量的限制，即使考虑使用更高比容量的三元正极材料和硅碳负极材料，也很难使锂离子电池的能量密度达到500 Wh kg^-1以上。在目前所研究的下一代储能二次电池体中，锂硫电池以其突出的理论能量密度（2567 Wh kg^-1）受到了人们的广泛研究。另一方面，锂资源的不断消耗最终也会限制锂硫电池的发展。因此，在大规模智能电网储能上，具有更低成本的其他金属-硫电池（钠硫、钾硫、镁硫、铝硫等）的优势将会更加明显。

然而，采用单质硫作为电极往往会导致一系列无法避免的问题。首先，单质硫以及最终放电产物的电子绝缘性极大地降低了整个电化学反应速率；其次，充放电过程中形成的多硫化物极易溶解在电解液中，并进一步扩散到负极被还原，从而造成多硫化物的穿梭效应；此外，金属负极的不均匀沉积以及与多硫化物的化学反应会导引起负极表面枝晶的生长和多硫化物的侵蚀。所有的这些问题都源自多硫化物的溶解与扩散，从而导致活性物质的不断消耗与损失，最终严重地制约了金属硫电池的实用化。目前，大部分研究都集中于将单质硫包覆在多孔碳里面，从而来提高电极的导电性和减缓多硫化物的溶解与穿梭。但是，这并没有从根本上解决多硫化物的损失问题，只是减缓了这一进程。同时，也有部分研究聚焦于含硫聚合物，这些含硫聚合物材料虽然也能很好地抑制多硫化物的溶解于穿梭，但是它们往往比容量比较低、动力学脱嵌速度也比较慢，而且在合成方法上也不可避免地需要使用高污染的有机溶剂。因此，很有必要构建一种新的金属-硫电池体系，来实现高性能金属-硫电池。

发明内容

本发明的发明目的是公开一种金属-硫电池及其制备方法，首次利用过渡金属硫化物及其复合物作为与硫当量的正极材料来设计室温以及高温金属硫电池。

为实现上述目的，采用具体的技术方案如下：一种金属-硫电池，包括正极、负极以及电解液；所述负极为金属；所述正极包括过渡金属硫化物。本发明采用一类过渡金属多硫化物作为与硫当量的正极材料，来实现一种新的金属硫电池比如锂硫和钠硫电池体系，进而使得金属-硫电池的应用潜力进一步提升。

上述技术方案中，所述过渡金属硫化物的化学式为MS_x，其中x≥3；M为钒、铌、钛、钼、钨、铁、钴和镍中的一种或一种以上；所述金属为锂、钠、钾、镁、铝、锌或者铁；所述电解液为酯类电解液或者醚类电解液。本发明的金属硫电池还可包括常规组件，比如常规隔膜等材料。

优选的，所述正极还包括碳基材料，比如碳纳米管，石墨烯，碳纤维，多孔碳等，与过渡金属硫化物复合形成碳基材料与过渡金属硫化物复合体系，作为金属硫电池的正极。

上述金属-硫电池的制备方法，包括以下步骤，在碳基材料存在下，或者不在碳基材料存在下，以过渡金属前驱体化合物为原料，制备碳基材料与过渡金属硫化物复合体系或者过渡金属硫化物；然后将所述碳基材料与过渡金属硫化物复合体系或者过渡金属硫化物制备为正极；以金属为负极；然后将所述正极、负极、电解液、常规组件组装制备金属-硫电池。