[发明专利]一种负极材料及其制备方法、柔性负极和锂硫电池

说明书

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种负极材料及其制备方法、柔性负极和锂硫电池。本发明提供的负极材料，包括负载有Cosubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;纳米颗粒的碳纤维和ZnO层，所述ZnO层包裹所述负载有Cosubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;纳米颗粒的碳纤维。本发明的柔性自支撑负极材料具有相互交错的三维网络结构；其中，以碳纤维作为三维导电骨架，提供了稳固、大的储锂空间；碳纤维表面的亲锂的Cosubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;和超亲锂的ZnO形成亲锂梯度，共同作用于金属锂的沉积，诱导锂均匀沉积，实现对负极锂枝晶生长的抑制作用。采用本发明的负极材料制备的柔性负极用于锂硫电池中，有效提高了电池的容量和循环性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种负极材料及其制备方法、柔性负极和锂硫电池。

背景技术

随着高效清洁的储能系统的发展，电池储能系统需要达到更高的能量密度、循环寿命以及安全性。使用硫作为活性物质的锂硫(Li-S)电池，拥有着较高的材料理论比容量和电池理论比能量，其含量丰富的硫作为正极与高能锂金属负极结合在一起的锂硫电池受到越来越多的关注。

锂硫电池通常由四部分构成，包含硫正极、隔膜、电解液以及金属锂负极。电池通过锂(Li)金属负极和硫(S)正极之间的氧化还原反应释放能量。锂金属在负极被氧化产生锂离子和电子，分别通过电解液和外电路到达硫正极。电池放电时，在正极侧有一个两步放电过程。在初始状态下，硫以环八硫(S₈)的形式在2.3V附近的电压平台下被还原为液态的长链多硫化锂(Li₂S_n，4≤n≤8)，这对应于放电曲线中的第一个电压平台。随后，这些可溶性多硫化锂在2.1V附近的电压平台下进一步还原为固态Li₂S₂/Li₂S，这对应于放电曲线中的第二个电压平台。

目前，锂硫电池的商业应用上仍存在着一些问题：可溶性多硫化锂(LiPS)的“穿梭效应”和硫的氧化还原转化过程的缓慢动力学；锂在负极侧的不均匀沉积形成的树枝状锂等。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种负极材料，可以实现对锂金属沉积的有效调控，诱导锂均匀沉积，从而抑制负极锂枝晶的生长。

本发明的第二目的在于提供一种如上所述的负极材料的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种柔性负极，具有优异的导电性和机械性能，改善了电极充放电前后的体积膨胀，抑制锂枝晶的生长。

本发明的第四目的在于提供一种锂硫电池，具有高容量和优异的循环性能。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种负极材料，包括负载有Co₃O₄纳米颗粒的碳纤维和ZnO层，所述ZnO层包裹所述负载有Co₃O₄纳米颗粒的碳纤维。

进一步地，所述负极材料中，碳纤维、Co₃O₄和ZnO的质量比为1：(0.1～800)：(1～50)。

进一步地，所述ZnO层的厚度为50～300nm。

优选地，所述Co₃O₄纳米颗粒的粒径为30～200nm。

本发明还提供了如上所述的负极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将纺丝液依次进行静电纺丝、碳化处理和氧化处理，得到负载有Co₃O₄纳米颗粒的碳纤维；所述纺丝液包括钴盐、碳纳米管、聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈；