[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明为一种锂硫电池正极材料的制备方法。该方法包括以下步骤：将氧化石墨烯、纳米硫粉、硼酸与尿素并置于球磨罐中，球磨后加入到去离子水中，得到混合物溶液，在常温下超声波分散1～3h，得到混合的悬浮液，通过喷雾干燥工艺制得硼氮氧共掺杂石墨烯/硫复合三维结构锂硫电池正极材料。本发明得到的硼氮氧共掺杂石墨烯/硫复合物制备工艺简便，通过简易的喷雾干燥工艺制得具有疏松多孔的结构，较高的比表面积，进而具有大量承载单质纳米硫粉的性能，可以提高正极材料的硫含量。

技术领域

本发明的技术方案涉及由活性材料组成的电极，具体地说是一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

随着锂离子电池在便携式电子产品、电动汽车和即插式混合电动车中的广泛应用，迫切需要开发具有更高能量密度的锂离子电池以满足市场需求。目前，已商业化的锂离子电池理论比容量受自身理论比容量为300mAh/g的限制，显然不能满足对锂离子电池实际应用质量的要求，而新型锂硫电池的理论比容量约为商业锂离子电池理论比容量的五倍(理论比容量为1675mAh/g，比能量为2500Wh/kg)，被认为是最具有发展潜力的高能电池之一。可再生能源和新能源正在取代日益枯竭的例如石油在内的化石能源，新型储能设备的开发和利用成为解决当今世界能源危机的一种有效手段。尽管锂离子电池的开发已经十分成熟，其比能量已经十分接近其相对应材料的理论比能量(300mAh/g)，但仍满足不了人们对环保型和高比能量的新型电池日益增长的需求，寻找下一代能量密度高、环保和成本低的锂二次电池正极材料成为亟待解决的问题。新型锂硫电池作为最具有发展前景的锂二次电池理论比能量为2600Wh/kg，是目前锂离子电池理论比能量(500Wh/kg)的5倍，并且作为正极活性物质的硫无毒无污染，完全适应和满足了人们对于新型二次锂电池的需求。然而，锂硫电池在实际应用上仍然存在一些关键难题，其一，单质硫在室温条件下，电导率低(25℃时，Ω＝5*10^-30/cm),离子态硫不存在导致锂硫电池正极材料的活化过程比较困难；其二，在锂硫电池充放电过程中，生成的可溶于电解液的较高价态的聚硫离子会迁移扩散到锂负极，与锂反应生成多硫化锂，产生飞梭效应，造成活性物质的不可逆损失，相应的容量也会衰减；其三，充放电过程中不溶性Li₂S会在负极沉积，锂负极有枝晶生成，正极部分硫和最终产物Li₂S的密度不同，硫正极会发生体积膨胀而碎裂(膨胀比为76％)，这些都会导致锂硫电池循环稳定性变差。因此，如何提高锂硫电池的循环寿命、提高正极活性物质利用率以及改善体积膨胀效应成为锂硫电池的研究热点和关键难点。

现有技术中，提高锂硫电池性能的方案主要有硫基正极结构的优化与硫基正极材料的改性，通常通过填充、混合或包覆的方法将单质硫和具有高的孔结构的多孔材料进行机械复合，形成正极复合材料，从而改善硫基正极的锂离子电导率和电池的循环性能。该多孔材料被要求：一，具有化学稳定性，不与多硫化物和金属锂发生反应；二，不溶于电解质；三，具有较高的锂离子电导率。石墨烯具有导电性优异、化学稳定性高、比表面积大、机械性能强和独特的二维多孔网络几何结构等卓越的特点，能够简单且易实行的与硫形成核壳包覆结构，利用石墨烯改性锂硫电池，能够提高硫单质的电化学活性，缩短电子与离子传输路径，限制多硫化物的溶解，进而提高锂硫电池整体性能。然而，现有的锂硫电池的应用仍存在几点关键性难题，其一，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；其二，锂硫电池中活性物质硫材料本身和最终放电产物Li₂S是电子和离子的绝缘体，放电过程中的中间产物多硫化物易溶解于电解液中，这些会造成活性物质的不可逆损失和容量衰减；其三，硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀约79％，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。为此，如何抑制多硫化物的扩散、改善硫的分布状态以及提高硫正极循环过程中的导电性是硫基正极材料的研究重点。