[发明专利]一种纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛复合正极材料的制备方法

说明书

本发明为一种纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛复合正极材料的制备方法。该方法包括以下步骤：第一步，前驱体的配制；第二，制备钨氮共掺的二氧化钛：得到W‑N共掺TiO₂纳米带；第三步，将二硫化碳/硫溶液加入到上述钨氮共掺的二氧化钛混合悬浮液中，100‑200℃下水热反应5‑24h，得到水凝胶；清洗后，将得到的产物在零下45℃，真空度20mPa条件下真空冷冻干燥5‑12h，即得到纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛复合正极材料。本发明克服了现有技术中锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差、循环寿命短、制备工艺复杂等缺点。

技术领域

本发明的技术方案涉及一种制备新型纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛的复合材料，具体地说是一种应用于锂硫电池的纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛复合正极材料的制备方法。

背景技术

随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，高能量密度、低成本的可再生能源系统的开发逐渐成为人们研究的重点。锂离子电池具有工作电压高、容量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染及工作温度范围宽等显著优点，被认为是高容量、大功率电池的理想之选，广泛应用于手机、笔记本电脑等电子设备，是21世纪的绿色环保电源。然而正极材料是制约锂二次电池发展的瓶颈，其价格、比容量和循环性能都需进一步优化。传统的正极材料如LiCoO₂、LiMn₂O₄等已商业化的正极材料的理论容量较低，不能满足未来发展对高能量密度二次电池的需求。

锂硫电池由于具有很高的储锂理论比容量，且正极材料单质硫具有最高的理论比容量(1675mAh/g)，理论比能量为2600Wh/kg，且其储量丰富、价格低廉、环境友好、低毒性，被认为是一种很有前景的下一代高能量密度二次电池。但是硫的电导率低，放电过程中体积膨胀大，导致其电化学性能受到影响。

纳米二氧化钛材料是优良的半导体材料，将纳米二氧化钛材料引入硫正极，可以通过负载、填充或包覆等修饰方法改善单质硫的电化学性能。由于纳米二氧化钛材料的高比表面积和较强的吸附作用，加入硫电极后可以达到抑制多硫化物的溶解扩散，提高锂硫电池体系的电化学性能的目的。虽然二氧化钛颗粒形貌尺寸均一，但是颗粒间容易发生团聚，颗粒尺寸较大，不利于硫的负载。

CN 105304932 A报道了一种二氧化钛包覆的锂硫电池正极料，其特点是由硫、碳纤维布和二氧化钛外壳制备而成，利用碳纤维布的微观结构及TiO 2对多硫化物的强吸附固定能力，一方面利用碳纤维布上存在的微孔缓冲硫锂化前后发生的体积变化；另一方面将锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化物限制在TiO 2纳米管中。但是载硫量稍低为40％且在40个循环后仍然能够保持887mAh/g的比容量。

发明内容

本发明针对锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差以及循环寿命短的问题，提供一种钨氮共掺的二氧化钛/硫复合材料的制备方法。采用该方法得到的钨氮共掺的二氧化钛/硫复合材料在用于锂离子电池的正极时具有较好的电化学性能，克服了现有技术中锂硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差、循环寿命短、制备工艺复杂等缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种纳米硫/钨氮共掺杂二氧化钛复合正极材料的制备方法，包括以下步骤

第一步，前驱体的配制：

将钛酸四丁酯(TBT)滴加到混合溶液中搅拌，然后将悬浮液静置20-24小时；随后，收集沉积在容器底部的粉末，并在70-90℃下在空气中干燥，得到纳米颗粒；其中，所述的混合溶液的组成为乙醇和氯化钠溶液，体积比乙醇：氯化钠溶液＝100:0.1～1.0，每100mL乙醇加1～4mL的钛酸四丁酯；氯化钠溶液的浓度为0.05～0.2M；

第二，制备钨氮共掺的二氧化钛：