[发明专利]一种钠硫电池正极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种钠硫电池正极材料的制备方法及其在钠硫电池中的应用。所述正极材料制备方法通过一种基于硬模板造孔，以及喷雾干燥技术造粒技术制备球状三维多孔结构的载硫材料，进而与硫粉制备复合正极材料。所述Ti₃C₂/S复合正极材料具有良好的电导率，特殊的二维层状结构，和较高的比表面积等特点，应用于钠硫电池中，有利于电子的高速传输，从而提高了电池性能。

技术领域

本发明涉及一种钠硫电池正极材料的制备方法及其在钠硫电池中的应用，特别涉及一种基于硬模板造孔，以及喷雾干燥技术造粒技术制备球状三维多孔结构的载硫材料的方法，属材料化学领域。

背景技术

当今世界面临严峻的能源问题，传统的化石燃料资源有限。随着工业化进程的不断推进，人类生活生产中对能源的需要日益增大。开发一种高效、低碳、清洁、可持续的能源和相关的能源转换与储存技术迫在眉睫。目前，锂硫电池是非常有潜力的下一代高能量密度的锂二次电池，硫的理论比容量为1675mAh/g，高于锂离子电池多倍。但是由于锂资源在地壳中的储量较低，分布不均，价格昂贵，并且锂资源的应用非常广泛，因此可以在锂离子电池中使用的锂资源非常有限，所以尝试其它资源来替代锂。钠与锂处于同一主族，电化学性质也非常相似，并且钠资源储量非常丰富。因此钠元素具备替代锂元素构造与锂硫电池相似的钠硫电池的巨大潜力。与锂硫电池相似，钠硫电池中硫的理论比容量为1675mAh/g，钠硫电池由于密封，在使用时不会产生排放污染，所以被认为非常绿色环保，并且几乎其中所有的电池材料都可以回收利用。但是，室温钠硫电池在使用液态电解液时，因为硫的绝缘性，多硫化物易溶于电解液而导致穿梭效应，体积膨胀等原因，导致硫的利用率低、循环性能差等，使得钠硫电池的电化学性能受到严重影响。

MXene材料具有双原子层状结构，原子之间有很强的共价键和很高的弯曲强度。采用氢氟酸刻蚀方法得到的MXene材料片层表面带有氟基、氢氧根基团等官能团，这些官能团为材料的改性提供了基础，可以改性后作为复合材料的组分可以提高复合材料的力学性能。MXene具有高电导率，高表面积和高化学性质稳定等优点，其表面具有亲水性，有利于电解质溶液的润湿，是一种理想的钠硫电池正极材料。其中，Ti₃C₂是MXene家族中研究时间最长并且性能优异的一种过渡金属碳化物。Ti₃C₂具有与石墨烯的单原子层相似的结构，二者都是由原子组成片层结构，所不同的是，石墨烯是由单一原子碳原子组成，而Ti₃C₂则是由Ti原子和C原子紧紧结合共同形成层状构。但是，Ti₃C₂纳米片作为钠硫电池正极负载硫材料时，难免会发生片层之间堆叠的现象，进而会导致Ti₃C₂纳米片失去原有的分层结构，影响活性物质硫的负载量。因此，制备出具有三维介孔结构的Ti₃C₂纳米片交联结构，可以提高对活性物质硫的负载率，同时较大的比表面积有助于抑制穿梭效应，进而提高钠硫电池的电化学性能。二氧化硅具有稳定的物化性质，粒径可控等特点，经常在化学合成工艺中作为硬模板材料，被用于介孔/大孔材料化学合成领域。喷雾干燥是一种基于高压喷雾和高温液相挥发技术的造粒技术，具有工艺简便，无污染耗能低，产率高等特点。因此，本发明旨在通过结合喷雾干燥与硬模板技术，制备一种具有三维多孔结构的Ti₃C₂纳米片交联结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钠硫电池正极材料的制备方法，所述正极材料具有球状三维多孔结构的钠硫电池活性物质负载材料，能够显著提高钠硫电池的放电比容量和循环稳定性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种钠硫电池正极材料的制备方法，所述正极材料是一种球状三维多孔结构的Ti₃C₂/S复合正极材料，该方法包括以下步骤：