[发明专利]核壳结构硫正极材料、制备方法以及在锂硫电池中的应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构硫正极材料、制备方法以及在锂硫电池中的应用，所述核壳结构纳米笼采用一步法由过渡金属盐和有机配体直接生成金属配合凝胶作为骨架经过冷冻干燥和高温煅烧处理后，得到包覆材料C＠Fe₃O₄，为使活性物质分布均匀，充分发挥结构优势，由酸刻蚀部分Fe₃O₄得到核壳结构(YCF)，利用碳壳和Fe₃O₄之间的空隙将硫封装，得到S/YCF材料。碳壳和极性内核发挥物理屏障与化学吸附剂的协同作用可有效抑制多硫化物的穿梭效应，通过调控Fe₃O₄极性球的含量，从而平衡最大载硫量、抑制多硫化物穿梭及容纳体积膨胀的效果，实现高库伦效率、高寿命正极的制备。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，特别涉及一种核壳结构硫正极材料、制备方法以及在锂硫电池中的应用。

背景技术

由于过去高强度依赖石油化工燃料，导致其储量大幅下降，能源短缺问题也日益显现出来。电能作为清洁能源之一，符合人类可持续发展的要求，因此电能的储备也显得尤为重要。自1991年索尼首次实现商业化以来，二次电池一直为研究的热点。但是锂离子理论容量相对较低，在便携式电子设备与电动汽车迅速发展的今天，逐渐难以满足需求。因此，人们将目光转向具有较高比能量的锂硫电池，将其视为下一代最具发展潜力的储能电池之一。

锂硫电池的理论比容量为1675mAh g－1以及理论质量能量密度为2600Wh kg－1，为传统锂离子电池的5倍。同时正极的活性物质硫元素具有储量丰富，环境友好以及成本低的优点。但是，目前仍存在几个关键的挑战阻碍了锂硫电池的商业应用：1)硫及其放电产物Li2S/Li2S2的离子/电子绝缘性，其中硫在室温下的电导率仅为5＊10－3S cm－1，使得活性物质的电化学活性与利用率均比较低；2)充电态的单质硫密度(2.07g cm－3)与放电态硫(1.66g cm－3)之间的密度差异，在充放电过程中存在约80％的体积变化，易使电极粉碎而导致电池性能迅速衰减；3)可溶性多硫化物的穿梭效应，一方面造成活性物质的流失，一方面扩散到锂负极伴随着副反应的发生。因此，锂硫电池存在容量衰减迅速、循环寿命短并伴有严重的自放电等问题。

为了提高硫的电化学利用率，目前已有多种宿主材料正应用于锂硫电池的研究，如石墨烯材料，金属有机框架(MOF)材料，新兴的材料MXene等，同时衍生出对现有材料的改性如包覆，杂原子掺杂等。其中，具有良好导电性、丰富比表面积、发达孔隙结构的碳材料被视为最有潜质的宿主材料之一。经大量文献证明，在占据锂硫电池理论比容量四分之三的Li2S4转化过程中，起关键作用的Li2S沉积成核只能发生在导电基体上。中空碳球作为多孔碳材料的一种，具有高硫载量和强适应体积膨胀的能力，但不能保证活性物质与碳充分接触同时中空碳球内部大量空腔将导致较低的体积能量密度。同时，由于非极性碳与硫之间非极性相互作用弱，只能做到简单的物理阻挡，不能完全杜绝多硫化物的穿梭效应，因此通常将碳材料与极性材料整合设计出理想的硫宿主材料，从而也弥补了极性材料活性附着点少的缺点。常用的极性材料有金属氧化物、金属磷化物、金属的氮化物等，依靠极性键对多硫化物实现化学阻碍，从而可以达到有效抑制穿梭效应的目的。但大数金属复合物导电性很差，从而又拉低了整体的导电性。

发明内容

本发明的第一个发明目的在于：针对现有宿主材料所存在的上述问题，提供一种YCF纳米笼宿主材料，该宿主材料包覆程度高，通过刻蚀部分内核，留出空间用于载硫，实现了载硫量、化学吸附和导电性三者平衡，在抑制穿梭效应的同时确保了优异电池充放电性能，在最大程度确保催化作用的同时，保证了正极的导电性，从而提升了倍率性能，克服了现有宿主材料的不足。

本发明采用的技术方案如下：一种YCF纳米笼宿主材料，其特征在于，所述YCF纳米笼宿主材料由碳外壳和Fe₃O₄内核组成，YCF纳米笼宿主材料由铁基水凝胶干燥退火后得到的碳包覆的Fe₃O₄纳米球，然后经酸部分刻蚀后得到，所述碳外壳具有三维骨架结构。