[发明专利]锂硫电池的载硫材料及正极材料

说明书

本发明公开了一种锂硫电池的载硫材料及正极材料，其中该载硫材料为具有二维片层结构的MXene材料，其化学通式用Mn+1Xn表示，其中M指过渡族金属元素，X指C和/或N元素，n为1至3，其中，所述二维片层结构中具有单原子分散的掺杂原子，所述掺杂原子具有促进硫的多相转化反应的电催化活性。本发明的载硫材料属于新型催化材料，能够明显的提高锂硫电池的循环和倍率性能，对于锂硫电池的进一步商业化具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及能源存储领域，更具体地涉及一种含有单原子分散的掺杂原子的锂硫电池的载硫材料及正极材料。

背景技术

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，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675 mAh g^-1和 2600 Wh kg^-1，远远高于商业上广泛应用的锂离子电池的容量。并且，单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点，锂硫电池被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一，受到全世界科研界和产业界的高度关注，也是未来各国布局的重点研究方向之一。

锂硫电池在实际应用中，其中的硫正极通常表现出严重的容量衰减和低的倍率性能，原因在于以下几点：

（1）单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10^-30 Scm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；

（2）硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66 g cm^-3，在充放电过程中有高达79%的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减；

（3）锂硫电池的中间放电产物(可溶性多硫化物，LiPS，Li₂S_n，4 ≤ n ≤ 8)会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性，多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费 (穿梭效应)；

（4）硫正极的放电过程是从固态硫到可溶性多硫化物Li₂S_n和固态Li₂S（固-液-固）的多相转化，具有低的动力学反应性。

解决前两个问题，目前主要是通过将活性物质硫与导电的碳材料复合，如介孔碳、碳纳米管、石墨烯，以改善硫正极的电导性并限制体积变化。为抑制LiPS的穿梭效应，将对LiPS具有高亲和力的电极材料，如杂原子掺杂碳，过渡金属化合物和聚合物引入到硫正极中，研究证明了它们之间强相互作用对抑制硫正极极中的可溶性LiPS非常有效。

对于硫的多相转化反应的动力学活性较慢的问题，研究发现这种缓慢的动力学反应主要来自限速步骤：Li₂S₂→Li₂S，该步骤的吉布斯自由能ΔG= 0.6~1.3 eV，是其他步骤的近3~4倍（如，步骤：Li₂S₈→Li₂S₄的ΔG= 0.01~0.4 eV），为了促进限速反应的进行，目前主要在硫正极中加入各种催化剂，比如贵金属（如Pt）、过渡金属（如Co、Fe、Ni等）以及金属化合物（氧化物、二硫化物和磷化物），以此来提高限速反应的反应速率。目前，对高电催化活性的催化剂的研究仍然处于起步阶段，开发出具有高活性的催化剂对于提高硫正极的电化学性能，乃至锂硫电池进一步商业化具有至关重要的意义。

发明内容