[发明专利]一种基于生物质碳源的锂硫电池正极复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开的一种基于生物质碳源的锂硫电池正极复合材料及其制备方法与应用，属于锂硫电池正极技术领域。包括基于生物质制备的多孔碳本体，以及原位生长在所述多孔碳本体上的纳米过渡金属磷化物/磷氧化物。所述正极复合材料载硫后能够用于制备锂硫电池的正极，将生物质预处理后制备的前驱体浸泡在含有过渡金属盐的溶液或过渡金属盐和含磷盐的混合溶液中，与溶液反应后分离出固体产物，然后对该固体产物高温碳化、造孔以及部分气氛处理，即得嵌有纳米过渡金属磷化物的多孔碳复合材料。

技术领域

本发明提供一种基于生物质碳源的锂硫电池正极复合材料及其制备方法与应用，属于锂硫电池正极技术领域领域。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂硫电池以硫单质和金属锂作为电池的正负极活性材料，正极的理论比容量高(1675mAh g^-1)。锂硫电池具有重量轻、容量大、环境友好且原材料易得等优点，是一种极具应用前景的二次电池。

尽管锂硫电池具有高能量密度的优势，但锂硫电池同样存在一些问题亟待解决，其中正极活性物质(S/Li₂S)的绝缘性与可溶性多硫化物的穿梭效应尤为突出。在室温下。热力学最稳定的硫分子是由8个S原子相连组成的S₈，是典型的电子和离子绝缘体(5×10^-30S cm^-1)，因此S₈用作电极活性物质材料时活化难度大。除此之外，最终放电产物Li₂S_x(x＝1～2)电子绝缘且不溶于电解液，活性物质利用率较低，造成容量的极大衰减。而目前锂硫电池常用的醚类电解液对充放电中间产物多硫离子Li₂S_x(x＝4～8)有较强的溶解性，使得锂硫电池的充放电过程表现为复杂的“固-液-固”过程。而这一过程伴随着正极结构的解离与重建，使得电极的稳定性较差。与此同时，锂硫电池在充电时，正极产生的长链多硫离子在浓度梯度的驱动下迁移到负极，与金属锂发生反应，生成短链的多硫离子，在电场的作用下又迁移回正极，进一步又被氧化，这一过程不断循环往复，形成“穿梭效应”。“穿梭效应”不仅降低了电池的库伦效率，同时造成了金属锂负极的腐蚀和电解液粘度增加等问题，使电池性能恶化。正极结构的合理设计对减轻上述这些问题具有深远的意义。先前科研工作者的研究已经普遍证明了通过将活性物质硫物理限制在各种形式的多孔碳中可以有效提高硫的利用率。多孔碳基体为限制在其纳米孔内的活性物质提供了导电性和体积变化的耐受性。在此基础上，通过掺杂等方式对多孔碳基体来改变碳表面的极性，借助极性相互作用可以实现更强的LiPS在孔表面的吸附。因此，一些极性金属化合物(例如具有更丰富的LiPS吸附位点的氧化物，硫化物，氮化物和Mxenes)随后被引入到硫正极中，从而显著改善了LiPS的限域效果和电池循环稳定性。由于过渡金属存在未占据的d轨道，过渡金属化合物可以为缓慢的电化学氧化还原过程提供有效的催化作用，因此引起了广大研究者的兴趣。过渡金属化合物在吸附LiPS的同时进行催化转化，可以防止表面吸附位点饱和，从而更高效的限制LiPS的“穿梭效应”。催化材料的设计应同时考虑材料本身的导电性以及材料对活性物质的吸附能力。过渡金属磷化物固有的电导率高，可以增强催化材料和活性物质之间的电子交换，有效促进锂硫电池的氧化还原过程。磷氧化物对活性物质具有更高的吸附能力，有利于提高活性多硫化物的捕获效果。此外，多孔碳材料被普遍认为是理想的锂硫电池正极材料基体，大孔可以有效地容纳活性物质硫并承受充电/放电过程中的体积变化；大孔和介孔为Li⁺的传输提供通道，保障孔内含硫物质的氧化还原反应的顺利进行和催化材料的持续催化；微孔结构则能限制LiPS的溶解。基于此，本发明使用生物质碳源为碳基体，将具有高催化活性的纳米过渡金属磷化物/ 磷氧化物嵌入多孔碳基体中，获得具有较高的电化学性能的锂硫电池正极复合材料。

发明内容