[发明专利]一种新型双金属氧化物复合碳纳米管材料、制备方法及应用

说明书

本发明涉及锂硫二次电池材料的制备的技术领域，尤其涉及一种新型双金属氧化物复合碳纳米管（CNTs/MnCo₂O₄）材料、制备方法作为锂硫电池正极材料的应用。双金属氧化物中的离子具有多种价态，能参与法拉第反应，且具有比单金属氧化物更好的电导率，同时，碳纳米管的加入有助于增加其导电性，且制备出的碳纳米管‑钴酸锰复合材料具有很多的孔径，多孔径的结构，不但利于电解液的渗透和离子的传输，还可以改善硫的附着面积，改善硫的导电性，而且能够阻止放电产物多硫化物的溶解并缓解体积膨胀，以该双金属复合碳纳米管材料作为锂硫二次电池的正极9量、循环性能稳定的特点。

技术领域

本发明涉及锂硫二次电池材料的制备的技术领域，尤其涉及一种新型双金属氧化物复合碳纳米管（CNTs/MnCo₂O₄）材料、制备方法作为锂硫电池正极材料的应用。

背景技术

能源即能量来源，分为常规能源、新能源。常规能源主要是石油、天然气、煤等。新能源主要有太阳能、核能、风能等。21 世纪我国经济的飞速发展使得常规能源的大量消耗，导致了常规能源在逐年减少。其中中国石油储存量只有全球的百分之二，如果我们国家依旧按现在的燃烧量进行消耗，原油将消耗殆尽。随着化石燃料消耗量的迅速增长，导致二氧化碳、氮氧化物、灰尘颗粒物等污染物对环境的影响也日趋严重，特别是在冬季利用烧煤来取暖导致我国大部分城市出现了严重的雾霾天气，极大的影响了人们的生活环境与工作环境。电池作为新型能源材料，能够极大地改善这现状。其中锂硫电池具作用极为突出。锂硫电池主要有两种结构，一种是以金属锂为负极，含硫材料为正极；一种是以硅基或锡基材料为负极，硫化锂为正极，两种体系均可采用有机液态或固态电解质。目前，研究最广泛的锂硫电池是以金属锂为负极，以含硫材料为正极，并采用有机液态电解质。锂硫电池表现出良好的质量能量密度，在新能源电动汽车的新兴技术领域显示出了美好的应用前景，不但可以减少燃料的使用，而且对污染物的排放量有所限制。

自从 1962 年锂硫电池问世到现在，锂硫电池由于其比容量高、成本低，环境友好等特点，得到广泛的关注与研究。据最新报道，在载硫量为 90%的情况下，电池初始比容量达到 1115 mAh/g，经过 1000 次反应后仍能达到 670 mAh/g，容量衰减率仅为0.039%。然而至目前为止仍未得到大规模生产与应用，因为目前锂硫电池的综合性能仍未能与锂离子电池相比拟，如电池的实际比能量、使用寿命等，通过研究分析可知，锂硫电池的应用和发展主要受限于以下几个原因。

（1）单质硫与放电产物多硫化锂的电子绝缘性。电子在正极的传输受到影响，欧姆过电位增大，并且电极反应发生在导电基体电解液界面，这些物质的电子绝缘性影响了反应动力学速度，这对于活性物质的电化学利用率的影响非常大。因此，研究者们将单质硫与一些导电材料混合形成复合物作为锂硫电池正极材料，改善硫的导电性能。

（2）循环过程中多硫化物在正极和负极之间的穿梭。由于多硫化物溶解于电解质，其在锂硫电池的正极与负极之间发生一系列相应的反应，使得正负极活性物质损失和带来电池严重的自放电。穿梭效应是锂硫电池的特殊性质，是造成容量衰减的重要原因，直接导致锂硫电池活性物质流失和库伦效率下降。

（3）放电过程中产生的体积膨胀对正极材料的破坏。充放电过程中，由于初始物质、中间产物及最终产物的密度不同，导致了反应过程中正极材料的体积变化，造成材料内应力破坏电极结构。此外，在锂负极的反应伴随着金属锂的消耗和生成，不仅造成体积变化，而且可能导致锂枝晶的生成，锂枝晶穿透隔膜，造成电池短路，不仅影响循环性能，还造成安全隐患。因此现在很多的研究者采用负极保护减少锂枝晶问题，制备具有中空结构、一体化结构的硫复合材料来解决锂硫电池的体积膨胀问题。由上述锂硫电池存在问题及解决方法中发现，从材料的角度考虑，正极材料的优化和质量直接决定了锂硫电池的成本与性能，因此，开发及合成高性能硫基正极材料显得尤为关键。

为解决上难题，研究新型锂硫电池极为重要。

发明内容