[发明专利]碳化钛/二氧化钛-硫的三元复合正极材料及其制备方法、应用和锂硫电池

说明书

本发明属于锂硫电池材料技术领域，具体涉及一种碳化钛/二氧化钛‑硫的三元复合正极材料及其制备方法、应用和锂硫电池。制备方法包括步骤：1)将硝酸与乙醇混合，得到混合溶液；2)将纳米碳化钛加入到步骤1)得到的混合溶液中，氧化反应得到多孔碳化钛/二氧化钛；3)将步骤2)得到的多孔碳化钛/二氧化钛与硫单质混合，热处理得到多孔碳化钛/二氧化钛‑硫的三元复合正极材料。本发明提供的三元复合正极材料能够有效抑制硫的体积变化、抑制多硫化物的溶解以及其穿梭效应，可作为锂硫电池正极材料，从而提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池材料技术领域，具体涉及一种碳化钛/二氧化钛-硫的三元复合正极材料及其制备方法、应用和锂硫电池。

背景技术

锂离子电池广泛应用于便携式电子产品、电动汽车等电子设备，其是目前综合性能比较好的二次电池体系，研究表明锂离子电池正负极材料的比容量均已接近其理论极限，但随着汽车产量的日夜增长，石油资源的逐渐枯竭，环境污染的日趋严重，以及移动通讯、电子仪表、电动汽车的快速发展，其仍无法满足储能系统日夜渐长的需求，逼迫学者急切研究高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池。

锂硫电池是以金属锂作为电池负极，硫元素作为电池正极的一种锂电池，其理论比容量为1675mAh/g，比能量高达2600Wh/kg。而且锂硫电池的活性物质单质硫具有地球储量丰富，价格低廉，环境友好等优点。然而，硫及其反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S导电性非常差，不利于电池高倍率性能；中间放电产物多硫化合物易溶解于电解液，其在正负极间的来回迁移(穿梭效应)，会导致活性物质的损失；硫在充放电过程中，体积变化大，易损坏电池。这些难题严重阻碍着锂硫电池的实际应用。

为了解决以上问题，研究人员尝试了大量的实验，其中对正极硫的改性尤为重要。现有主要解决方法是将硫与高导电的碳材料复合，比如碳纳米管、石墨烯或还原氧化石墨烯、活性炭、碳纳米纤维。通过导电材料赋予正极导电性，抑制硫化物穿梭效应，从而提高电池的循环性能和倍率性能，然而非极性的碳质材料与极性的多硫化合物之间简单的物理吸附不足以维持锂硫电池的长期循环。研究表明金属氧化物材料，比如二氧化锡、二氧化锰、二氧化钛、三氧化二铁、三氧化二铝对多硫化合物有强烈的化学吸附，进而抑制硫化物穿梭效应，不理想的是大多数金属氧化物不导电或是导电性能极差。因此，仍然需要研究新方法来提高锂硫电池的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化钛/二氧化钛-硫的三元复合正极材料及其制备方法、应用和锂硫电池。本发明提供的三元复合正极材料能够有效抑制硫的体积变化、抑制多硫化物的溶解以及其穿梭效应，可作为锂硫电池正极材料，从而提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

本发明所提供的技术方案如下：

一种三元复合正极材料，包括多孔碳化钛/二氧化钛以及填充于多孔碳化钛/二氧化钛的硫单质，硫单质的质量百分含量为50～90％。

上述技术方案所提供的三元复合正极材料，以多孔碳化钛/二氧化钛复合材料包覆硫单质，多孔碳化钛/二氧化钛复合材料具有稳定的多孔结构，有效地缓解放电/充电过程中硫压力和体积的变化，且碳化钛具有良好的导电性，弥补硫绝缘性缺陷；二氧化钛和碳化钛对硫以及多硫化物有化学吸附，一方面可以有效地缓解放电/充电过程中硫压力和体积的变化，另一方面可以有效抑制多硫化合物的穿梭效应。此外，碳化钛与二氧化钛具有协同效应，使碳化钛/二氧化钛-硫的复合结构能够同时促进电子传输并保护锂离子的快速传输至低导电硫，进而提高锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。比较以Ti₃C₂和Ti₂C此类二维材料为基材所制备的复合材料，本发明所提供的以TiC为原材料合成的TiC/TiO₂-S复合材料能更好的存储硫并表现出优越的电化学性能。

具体的，多孔碳化钛/二氧化钛的孔径为1～10nm。