[发明专利]用于锂硫电池正极的氟化碳纳米管/碳纳米管海绵复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供用于锂硫电池正极的氟化碳纳米管/碳纳米管海绵复合材料及其制备方法，将无水乙醇和邻二氯苯混合后，加入二茂铁后，将上述混合材料注射到含有氩气和氢气的保护的高温管式炉中，得到的自支撑碳纳米管海绵材料；向氟化碳纳米管中加入无水乙醇溶液，超声分散，得到氟化碳纳米管乙醇分散液，将自支撑碳纳米管海绵材料随石英基底一同浸渍氟化碳纳米管乙醇分散液中，在室温下抽真空，随后放置于常压干燥箱中干燥，将石英圆片剥离，得到单侧包裹氟化碳纳米管的碳纳米管海绵复合材料。该复合材料能有效吸附和抑制多硫化锂中间产物想锂负极扩散，成功提升锂硫电池比容量和循环性能等其他性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，更具体地说涉及一种锂硫电池正极材料、其制备方法及包含上述锂硫电池正极材料的锂硫电池。

背景技术

随着世界人口的不断增长，能源需求的增加和气候的变化，我们必须将重点放在为人类创造一个可持续的能源未来的同时，还要保护我们脆弱的环境。为了实现这一目标，我们需要减少我们对化石燃料的依赖，并转向清洁、可再生能源。然而，这些可再生能源需要先进能源存储系统，可以当它处在过量状态时储存，在被需求时释放回电网，以维持家庭和工业稳定的电源供应。不幸的是，锂离子电池无法满足固定式电网储能的高能量要求。电池有限的能量密度也阻碍了他们在各种新兴移动运输工具上的运用。这便引发了全球探索超越传统锂离子电池的新电池技术。

单质硫在常温下以S₈的形式存在，在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和能量密度较高，分别达到1672mAh g^-1和2600Wh kg^-1，工作电压通常可以达到2.1V左右，被认为是现在最具研究价值和应用前景的锂二次电池体系之一。

虽然锂硫电池具有高容量、高比能量等优点，但是目前存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这些问题严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面：

(1)单质硫是电子和离子绝缘体，室温电导率低(5*10^-30S cm^-1)，由于没有离子态的硫存在，因而作为正极材料活化困难；

(2)在电极反应过程中产生的高聚态多硫化锂Li₂S_n(4≤n＜8)易溶于电解液中，在正负极之间形成浓度差，在浓度梯度的作用下迁移到负极，高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。随着以上反应的进行，低聚态多硫化锂在负极聚集，最终在两电极之间形成浓度差，又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。这种现象被称为穿梭效应，降低了硫活性物质的利用率。同时不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉积在锂负极表面，更进一步恶化了锂硫电池的循环性能；

(3)反应最终产物Li₂S同样是电子绝缘体，会沉积在硫电极上，而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢，使电化学反应动力学速度变慢；

(4)硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79％，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。