[发明专利]一种高能量密度锌硫电池正极及其制备方法

说明书

本发明属于水系锌离子电池领域，并具体公开了一种高能量密度锌硫电池正极及其制备方法，其包括：将微米尺寸的硫化锌颗粒进行粉碎，使其转化为微米和纳米颗粒共混的尺寸分布，得到微‑纳共混的硫化锌颗粒；将微‑纳共混的硫化锌颗粒配置成微‑纳共混硫化锌溶液，将含硒或碲类物质加入该溶液中，搅拌得到混合溶液；对混合溶液加热，然后离心、干燥，得到硫化锌正极材料。本发明将微米尺寸的商业硫化锌转化为微‑纳共混的硫化锌，提升了电极材料活性面积，提升了电极材料利用率和电池比容量；同时通过引入硒或碲元素，改善电池的倍率性能，提升了电池能量密度；所制备的硫化锌正极具有低成本、高稳定的优势，能够满足未来储能市场的应用需求。

技术领域

本发明属于水系锌离子电池领域，更具体地，涉及一种高能量密度锌硫电池正极及其制备方法。

背景技术

近年来，水系锌离子电池由于其成本较低和较高的安全性，有望成为未来大规模储能的候选者。虽然锌负极的理论容量高达820mAh g^-1，但由于目前已有的正极材料，如锰基材料、钒基材料、普鲁士蓝类似物和聚合物的能量密度有限(容量通常小于400mAh g^-1)，这对于水系锌离子电池的推广应用起到一定的阻碍作用，因此探索新的高能正极材料为锌离子电池提供替代选择。由于硫的成本低(0.25US$kg^-1)和对环境无害，其理论比容量为1675mAh g^-1，远高于基于插层反应的正极材料。锌硫(Zn-S)电池的能量密度高达577Wh kg^-1或2360Wh L^-1。综上，Zn-S电池被认为是一种绿色、低成本、高能量密度的储能系统。

目前，科研工作者在硫复合材料中的锌储存方面取得了一些进展。例如，将硫分散到碳纳米管上以提高导电性，引入单质碘(I₂)或Fe(CN)₆^4-氧化还原介质加速Zn-S电池的氧化还原动力学。不过，Zn-S电池还面临着电压滞后、倍率性能差和容量衰减快等挑战。此外，硫物质在充放电过程中的体积膨胀较大(～53vol％)，加速电极粉化和电池的失效。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高能量密度锌硫电池正极及其制备方法，其目的在于，缓解锌硫电池充放电过程中电极的体积膨胀，提高硫化锌正极材料的稳定性和能量密度。

为实现上述目的，本发明提出了一种高能量密度锌硫电池正极的制备方法，包括如下步骤：

S1、将微米尺寸的硫化锌颗粒进行粉碎，使其转化为微米和纳米颗粒共混的尺寸分布，得到微-纳共混的硫化锌颗粒；

S2、将微-纳共混的硫化锌颗粒配置成微-纳共混硫化锌溶液，并将含硒或碲类物质加入该溶液中，搅拌得到混合溶液；

S3、对混合溶液加热处理，然后离心、干燥，得到硫化锌正极材料。

作为进一步优选的，所述微-纳共混的硫化锌颗粒中，纳米尺寸硫化锌颗粒的粒径分布范围为50nm～500nm。

作为进一步优选的，所述微-纳共混的硫化锌颗粒中，微米尺寸与纳米尺寸硫化锌颗粒的数量比为1％～5％。

作为进一步优选的，步骤S2中，微-纳共混硫化锌溶液的质量分数为5wt.％～20wt.％。

作为进一步优选的，步骤S2中，含硒或碲类物质的浓度为0.01mol L^-1～0.1mol L^-1。

作为进一步优选的，步骤S3中，加热温度为120～240℃，加热时间为0.5～24小时。

作为进一步优选的，所述含硒或碲类物质为硒/碲单质或其相应的氧化物、无机盐及固体酸。