[发明专利]一种锂硫电化学储能体系及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电化学储能体系，包括含硫正极、含锂负极、隔膜和电解液，所述含硫正极中包括正极活性材料，所述含锂负极中包括负极活性材料，所述正极活性材料为硫/石墨烯/MP_x纳米复合材料，所述负极活性材料为石墨烯/MP_x纳米复合材料，其中，MP_x为过渡金属磷化物，且正极活性材料与负极活性材料的质量比为1：(1.4‑1.6)。本发明还提供一种上述锂硫电化学储能体系的制备方法。本发明的锂硫电化学储能体系具有寿命长、安全性能高、电化学性能优异等优点。

技术领域

本发明属于储能器件领域，尤其涉及一种储能体系及其制备方法。

背景技术

作为能量存储与转换的中介，锂离子电池在过去几十年里已经在便携式电器、移动设备、电动汽车等方面得到了广泛的应用。随着社会的发展，人类对能源的需求急剧上升，锂离子电池在能量密度方面已经逐渐不能满足当今社会对储能器件的要求。因此，合理的能源结构变革是解决此问题的关键。其中，锂硫电池由于高能量密度和低成本成为目前国际上储能领域的研究热点之一，其质量能量密度是现有商用锂离子电池体系的3-5倍。

对于一套成熟的储能体系，高能量密度、大功率密度、优异的安全性、长循环稳定性和长搁置寿命等是评价其性能优劣的重要参数。然而，锂硫电池除了占有高能量密度外，其他方面相比于目前的锂离子电池仍有一定的差距。其性能的差异主要取决于以下几个问题：(1)硫电导率低(5.0×10^-30S/cm)；(2)充放电中间产物会溶解到电解液中，在正负极间来回穿梭，引起电极固有结构破坏；(3)单质硫在充放电过程中有高达79％的体积膨胀。(4)金属锂负极在充放电过程中形成的锂枝晶可能会导致严重的安全问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种寿命长、安全性能高、电化学性能优异的锂硫电化学储能体系及其制备方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种锂硫电化学储能体系，包括含硫正极、含锂负极、隔膜和电解液，所述含硫正极中包括正极活性材料，所述含锂负极中包括负极活性材料，所述正极活性材料为硫/石墨烯/MP_x纳米复合材料，所述负极活性材料为石墨烯/MP_x纳米复合材料，其中，MP_x为过渡金属磷化物，且正极活性材料与负极活性材料的质量比为1：(1.4-1.6)。

上述锂硫电化学储能体系，正负极采用相同的制备方法，可以降低生产成本。正负极通过材料的优化选择，通过正负极材料中活性物质含量的优化选择(控制在1：(1.4-1.6))，正负极发挥不同的作用机理，各材料相互协同作用，正负极容量匹配后更容易发挥整体电极的高能量密度，可以得到性能优异的锂硫电化学储能体系。

上述隔膜为商用PP隔膜，电解液为LiTFSI溶解到一定比例DME和DOL混合电解液中(DME：DOL＝1：1Vol％)。锂硫电化学储能体系的容量来源于正极硫的多电子反应和负极MP_x的转变反应或合金化反应。在放电过程中，锂离子从负极脱出，进入电解液与正极硫反应；充电过程中，锂离子从正极脱出，与负极MP_x发生转变反应，这一过程实现能量的存储与转换。上述锂硫电化学储能体系器件的充放电压区间为0.6-2.3V。

上述锂硫电化学储能体系中，优选的，M包括Fe、Co、Ni、Cu、Mn中的任一种，所述MP_x具体为FeP、CoP、Ni₂P、Cu₃P和MnP。

上述锂硫电化学储能体系中，优选的，所述硫/石墨烯/MP_x纳米复合材料中，所述过渡金属磷化物为纳米球状结构，直径为80-120nm，均匀负载在石墨烯基底上，所述硫包裹于石墨烯的三维空腔中。