[发明专利]柔性自支撑正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性自支撑正极材料及其制备方法和应用，其由活性物质材料和气凝胶骨架构成，所述活性物质材料附着在所述气凝胶骨架的内部孔隙结构中，所述活性物质材料为单质硫、硫化锂或硫化钠，所述气凝胶骨架由还原氧化石墨烯和过渡金属掺杂的碳纳米材料构成。该柔性自支撑正极材料不仅具有柔性特点，还可以显著提高电池的循环稳定性和负载量。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种柔性自支撑正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着各种电子产品和电动汽车的高速发展，市场上对具有高比能量密度和高安全性的电池提出了越来越高的要求，而现有的锂离子电池由于其自身理论比容量的限制，越来越不能满足市场快速发展的需求。同时，随着智能可穿戴设备和各种柔性器件的发展，对柔性电池的开发也提出了更高的要求，因此急需找到一种高能量密度同时也具有柔性的电池材料。而锂硫电池由于其具有超高的理论比容量(1672mAh·g^-1)和理论比能量(2600Wh·kg^-1)，活性物质硫在自然界储量丰富，没有毒害，成本低等优点，被认为是最具有发展前景的下一代储能电池体系。

但是锂硫电池由于其本身固有的一些缺点限制了其大规模商业化应用。首先，单质硫及其放电产物硫化锂的导电率低，在室温下只有5×10^-30S·cm^-1，这使得活性物质硫的利用率很低；其次锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化锂会溶解在电解液中造成穿梭效应，这会造成电池容量的不可逆衰减；最后，锂硫电池在充放电过程中会发生接近80％的体积膨胀，容易造成电池结构的破坏，从而降低电池的使用寿命。

为了解决这些问题，各种各样的碳材料(例如多孔碳，碳纳米纤维，碳纳米管，石墨烯等)、导电聚合物和金属氧化物被设计出来与单质硫进行复合来制备正极材料，通过与这些材料的复合，可以显著提高硫正极的导电性，而且这些材料大多具有复杂的形貌结构，可以对锂硫电池充放电过程产生的多硫化锂起到一定的吸附作用，而其内部的孔洞结构，正好可以缓解锂硫电池在充放电过程中的体积膨胀，这些改性措施综合在一起，可以显著改善锂硫电池的电化学性能。但是这些材料的制备过程大多数都很复杂，而且需要与导电剂，粘结剂，以及集流体(通常是铝箔)一起使用，这会不可避免的降低电池整体的能量密度。因此发展一体化的自支撑正极引起了越来越多科研工作者的关注。

目前在自支撑正极应用最多的是各种碳基材料，比如三维石墨烯与硫复合制备的正极能够有效缓解锂硫电池存在的导电性差、“穿梭效应”、体积膨胀等问题；由单质硫、纤维状三氧化钼以及多壁碳纳米管三者组成的可弯曲的复合柔性膜组装的电池具有比容量高，倍率性能好，循环寿命长等综合优势；由纳米钽酸锂与氧化石墨烯复合制备的正极，能解决锂硫电池中的多硫化物穿梭效应从而提升电池的倍率性能和循环性能。但这些自支撑正极方案大多都只能解决某一方面的问题，比如单纯的石墨烯与硫复合和纳米钽酸锂与氧化石墨烯复合制备的正极强度差，不具有柔性；由单质硫、纤维状三氧化钼以及多壁碳纳米管制备的正极制备方法复杂，难以大规模应用。此外这些材料对多硫化物的吸附能力有限，不能对多硫化物起到很好的抑制作用。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种柔性自支撑正极材料，该柔性自支撑正极材料由气凝胶骨架和活性物质材料构成，所述的气凝胶骨架为过渡金属掺杂的碳纳米材料增强的石墨烯基气凝胶，使得该柔性自支撑正极材料的密度小，并且掺杂有过渡金属，具有柔性自支撑的特点，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明首先提供了一种柔性自支撑正极材料，其由活性物质材料和气凝胶骨架构成，所述活性物质材料附着在所述气凝胶骨架的内部孔隙结构中，所述活性物质材料为单质硫、硫化锂或硫化钠，所述气凝胶骨架由还原氧化石墨烯和过渡金属掺杂的碳纳米材料构成。

进一步的，所述过渡金属掺杂的碳纳米材料中，所述碳纳米材料为碳纳米管或碳纳米纤维，所述过渡金属包括铁、钴、镍、铜、锌中的一种。