[发明专利]一种用于锂硫电池正极的复合材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明实施例提供了一种用于锂硫电池正极的复合材料、其制备方法及其应用，其中该复合材料包括：石墨烯或其衍生物、层状双金属氢氧化物及纳米单质硫；所述纳米单质硫分布于石墨烯或其衍生物上，所述层状双金属氢氧化物分散于分布有纳米单质硫的石墨烯或其衍生物上。本发明提供的用于锂硫电池正极的复合材料稳定性好，由其制备的锂硫电池库伦效率高，可见本发明提供的复合材料有效地缓解、甚至解决了传统锂硫电池的“穿梭效应”问题。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，特别是涉及一种用于锂硫电池正极的复合材料、其制备方法及其应用。

背景技术

环境问题和能源问题是全世界人民面临的两大重要问题，对清洁能源的探索及存储是解决这两个难题的重要途径。锂离子电池做为一种能源储存设备，引起了广泛的关注。但是传统的锂离子电池，例如以钴酸锂/石墨为正负极的锂离子电池，能量密度低于400Wh/kg，因此，发展高能量密度的电池显得尤为迫切，锂硫电池做为下一代最有可能工业化的电池类型，能量密度可达约2600Wh/kg。但是传统锂硫电池(采用碳硫复合材料作为正极)由于存在以下问题，限制了锂硫电池的实用化进程：

第一、导电性差，在室温下，单质硫以及放电终产物Li₂S、Li₂S₂是电子和离子的绝缘体，电导率非常低。

第二、穿梭效应显著，导致库伦效率低，容量衰减严重，在充放电的过程中，在正极的活性物质硫单质在充放电的过程中，会产生中间产物多硫化锂(Li₂S_n，4≤n≤8)，该中间产物易溶于电解液，在两极之间产生浓度梯度，并迁移到负极，在负极被还原成低聚态的硫化锂后，在负极聚集，再迁移到正极，这样循环的过程被称为“穿梭效应”，对锂硫电池的持久性会造成非常大的影响，不仅会降低正极材料中活性物质硫的利用率，还会使Li₂S和Li₂S₂沉积在负极表面，阻止电化学反应的进行。

第三、体积变化大，电池活性物质硫单质的密度为2.07g/cm³，而放电终产物Li₂S的密度只有1.66g/cm³，当硫单质被还原为Li₂S时，体积会膨胀至原来体积的179％，体积的变化会导致电极结构的坍塌，造成电池损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂硫电池正极的复合材料，至少用于缓解传统的锂硫电池穿梭效应显著的问题。本发明同时还提供了锂硫电池正极材料的制备方法，及该锂硫电池正极材料的应用。具体技术方案如下：

本发明首先提供了一种用于锂硫电池正极的复合材料，包括石墨烯或其衍生物、层状双金属氢氧化物及纳米单质硫；所述纳米单质硫分布于石墨烯或其衍生物上，所述层状双金属氢氧化物分散于分布有纳米单质硫的石墨烯或其衍生物上。

在本发明的一些实施方式中，石墨烯的衍生物包括：氧化石墨烯、还原态氧化石墨烯、杂原子掺杂的石墨烯或杂原子掺杂的氧化石墨烯中的一种或其任意组合。

在本发明的一些实施方式中，所述层状双金属氢氧化物包含二价金属阳离子及三价金属阳离子；所述二价金属阳离子选自Ni²⁺、Fe²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Co²⁺或Cu²⁺，所述三价金属阳离子选自Cr³⁺、Al³⁺、Ga³⁺、V³⁺、Co³⁺或Fe³⁺。

在本发明的一些实施方式中，所述层状双金属氢氧化物包含一价金属阳离子Li⁺及四价金属阳离子Ti⁴⁺；或