[发明专利]半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料及制备方法、锂硫电池正极及电池

说明书

本发明公开了一种半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料及制备方法、锂硫电池正极及电池。首先通过水热法获得二氧化钛，再通过以多巴胺为碳源包裹碳层，然后原位聚合生长聚苯胺，最后通过熏硫的方式负载硫颗粒，最终获得二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的半球空心状复合材料。该材料应用于锂硫电池正极材料，具有良好的循环稳定性和较高的比容量。与现有技术相比，本发明制备的材料呈现半球空心状，半球空心状结构比表面积大，能够负载更多硫颗粒，有利于电子传输，缓解充放电过程的体积膨胀，提高电池性能。并且，实验过程简单，原料价廉易获取。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料及其制备方法、锂硫电池正极及电池。

背景技术

由于环境污染和化石燃料的枯竭，不可再生能源存储量日益减少、气候环境日益恶劣、生态系统越来越脆弱，太阳能和风能等清洁和可再生能源的需求变得越来越迫切发展具有高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，其理论比能量高达(2600Wh/kg)和较高的理论比容量(1675mAh/g)，远高于目前商业化的锂离子电池。近年来，锂硫电池因具有来源广泛，成本低，生物相容性高的优点，成为新的研究热潮。又因其电极材料单质硫廉价且资源丰富又环境友好，使得锂硫电池体系极具商业价值。

然而，锂硫电池固有的三个挑战一直制约着其进一步的发展，即单质硫和放电产物(Li₂S)的电绝缘性质，充放电过程中体积膨胀严重和中间产物多硫化物在电解质中的溶解，这些问题致使电池中硫的利用率低、循环性能差、容量衰减快、倍率性能差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料。合理的半球空心状结构具有大的比表面积，有利于电子传输，可负载更多的活性物质。

本发明另一目的在于提供一种半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料的制备方法，利用价格低廉的原料制备得到二氧化钛，再通过以多巴胺为碳源包裹碳，再在冰浴环境下生长聚苯胺，得到二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺纳米材料，之后负载硫获得锂硫电池正极材料。其制备工艺简单、产率高、成本低。

本发明还有个目的在于提供一种锂硫电池正极，采用上述半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料制成。

本发明最后一个目的在于提供一种电池，包括上述锂硫电池正极。

本发明具体技术方案如下：

一种半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

1)将无水乙醇与异丙醇混合均匀，再加入钛酸四丁酯，混合均匀后，水热反应，得到二氧化钛材料；

2)将步骤1)制备的二氧化钛材料分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷后，再加入盐酸多巴胺，进行反应，反应结束后，得二氧化钛/碳纳米材料；

3)将步骤2)制备的二氧化钛/碳纳米材料在氮气氛围下焙烧，自然冷却到室温，制得二氧化钛/碳颗粒；

4)在冰浴条件，将步骤3)制备的二氧化钛/碳颗粒分散在硫酸溶液中，加入苯胺搅拌均匀，然后加入过硫酸铵进行反应，获得半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺；

5)将步骤4)制备的半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺与硫粉混合均匀，在氩气气氛下熏硫，得到半球空心状二氧化钛/碳颗粒/聚苯胺负载硫的复合材料。

步骤1)中，所述无水乙醇、异丙醇、钛酸四丁酯的体积之比为(10～30)： (10～20)：(0.1～1.0)；