[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)制备双金属MOF材料；(2)将制备的双金属MOF材料分散在有机溶剂中，在搅拌的情况下，向其中加入TiO₂前驱体，通过水解作用在双金属MOF材料上生成TiO₂，得到分散有TiO₂的双金属MOF复合材料；(3)将步骤(2)制备的复合材料在惰性氛围下煅烧，得到碳化后的复合材料；(4)将步骤(3)得到的碳化后的复合材料与S粉进行混合，在惰性氛围煅烧得到锂硫电池正极材料。本发明利用双金属MOF中金属活性位点和TiO₂共同形成的多维度的吸附位点，以及碳化后形成的碳基导电网络和开放的离子通道，有效提升了锂硫电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及了材料的制备方法，尤其涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

以便携式电子设备、电动车和现代电网领域为代表的大规模电能存储系统都要求长寿命、高能量密度的先进电池系统。锂硫电池因具有高理论比容量(1675mAh g^-1)、高能量密度(2600Wh Kg^-1)、低成本、环境友好等优点，被认为是最具潜力的新一代能源解决方案。但是，由于硫正极和放电产物(Li₂S₂/Li₂S)的导电性较差、充放电过程中多硫化物的过多溶解和“穿梭效应”等因素导致循环稳定性和倍率性能差，以及硫利用率低等瓶颈问题，严重影响了锂硫电池的商业化应用。因此，深入开发一种新型低成本，具有更高的容量和大倍率状态下更好的循环稳定性的硫正极材料是当前研究的重点。

近年来，金属有机骨架(MOFs)材料由于其变化多样的骨架、可调的孔结构、固有的官能团和中心离子，展现出强健地俘获多硫化物的能力，很好地限制多硫化物的穿梭效应，被视为最有潜力的硫正极材料之一，受到广泛研究。通过合理设计和精确控制MOFs的孔结构可以有效抑制穿梭效应和提升硫含量，比如拥有笼状孔结构的MIL-100(Cr)材料；充分利用MOFs材料中对多硫化物有强烈化学吸附作用的中心离子活性位点，也是缓解多硫化物过多溶解的有效策略，比如拥有Ni²⁺的Ni-MOF和Cu²⁺的MOF-525。但是这些材料差的导电性导致了多硫化物和Li₂S之间相互转化反应较慢的反应动力学、低硫利用率和差的倍率性能。为了提高MOFs基硫载体的导电性，石墨烯包覆和碳纳米管贯穿的MOFs材料，以及MOFs衍生的碳材料被广泛制备，比如分层多孔碳纳米片、Co-N共掺杂石墨碳、石墨烯包覆的Co掺杂多孔碳和碳纳米管覆盖的海胆状纳米多面体。这些材料具有高效的导电网络、开放的离子通道，可以提高硫含量和电解液的渗透，表现出优异的电化学性能。但是在碳化过程中，中心活性离子容易聚集，且大部分被包埋在碳基质的中间，同时，中心离子在材料中的比例和暴露的活性位点有限且不易控制，限制了对多硫化物的高效俘获。因此，设计对多硫化物具有强健化学吸附能力和快速转化反应动力学的高含硫量锂硫电池正极材料是一个巨大的挑战。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，该方法制备的锂硫电池正极材料对多硫化物具有强健化学吸附能力和快速转化反应动力学，表现出优异的电化学循环性能和倍率性能。

技术方案：本发明的锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备双金属MOF材料；

(2)将制备的双金属MOF材料分散在有机溶剂中，在搅拌的情况下，向其中加入TiO₂前驱体，通过水解作用在双金属MOF材料上生成TiO₂，得到分散有TiO₂的双金属MOF复合材料；

(3)将步骤(2)得到的复合材料在惰性氛围下煅烧，得到碳化后的复合材料；

(4)将步骤(3)得到的碳化后的复合材料与S粉进行混合，在惰性氛围下煅烧，得到锂硫电池正极材料。