[发明专利]一种锂硫电池用预锂化锡锂合金纳米颗粒、制备方法及应用

说明书

本发明公开了预锂化锡锂合金纳米复合材料锂硫正极的制备及应用，包括以下步骤：1)制备无定型锡锂合金纳米颗粒；2)制备无定型锡锂合金/导电剂纳米复合材料；3)制备无定型锡锂合金/导电剂/硫纳米复合正极材料；4)制备预锂化锡锂合金纳米复合材料锂硫正极；5)预锂化锂硫电池制备，制备得到的预锂化锂硫电池具有良好的克容量和循环性能，锡锂合金在锂硫电池中具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体来说涉及一种锂硫电池用预锂化锡锂合金纳米颗粒、制备方法及应用。

背景技术

锂离子二次电池近年来在3C和动力电池领域得到越来越多的应用。提升电池能量密度和循环性能是锂离子二次电池一个重要方向。而锂硫电池正极单质硫(S)具有1675mAh/g理论容量，和金属锂(Li)组成锂硫电池理论质量能量密度为2600Wh/kg，体积能量密度为2800Wh/L，具有良好的应用前景。

但是锂硫电池在使用过程中面临了诸多问题。首先，单质硫是绝缘体，常温电导率为5×10^-30S.cm^-1，锂硫电池放电产物Li₂S的电导率3.6×10^-7S.cm^-1，在使用过程中放电产物的产生非常不利于电池的正常运行。其次，单质硫晶体密度是2.03g.cm^-3，锂硫电池正极硫在充放电过程中放电产物Li₂S的密度为1.67g.cm^-3，充放电前后体积变化较大，导致活性物质容易从集流体上剥离。最后，锂硫电池正极放电过程中形成的锂多硫化物溶解在电极液中，在浓度梯度作用下多硫化合物的穿梭效应迁移到负极金属锂片，产生还原反应生成硫化锂，降低电池容量和循环性能。

针对锂硫正极材料中存在的问题，人们对正极材料进行了诸多改性，其中，添加金属或金属化合物为一种方向。

现有技术CN109713282A中通过在正极材料中添加金属或者金属化合物，能够对中间产物多硫化锂起到固定作用，呈现出更强的化学吸附作用，从而抑制多硫离子的穿梭效应，有效提高锂硫电池的容量发挥和循环稳定性；现有技术CN104752702B中则是在正极中添加了金属氧化物微纳米管，利用纳米管高比表面积的特性，可较好吸附、抑制多硫化物的溶出。

但是，上述现有技术制备的正极材料仍然存在多硫化物穿梭效应和不可逆容量较大等缺点，这是由于现有技术中，金属/金属氧化物材料都是采用物理方式和硫复合而致，并没有从根本上对正极材料进行改性，此外，传统金属/金属氧化物的化学吸附作用有限，并且在实际使用过程中会诱导锂枝晶的形成，反而会导致材料电池性下降。因此，如何制备吸附力强的新型金属/金属氧化物材料和选择适宜的与硫复合的方式成为了本领域的技术难题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种预锂化锡锂合金纳米颗粒及其制备方法和应用，锡锂合金在充放电过程中体积变化小，容量保持率高，且锡锂合金本征稳定性强，对中间产物固定能力强。将锡锂合金和硫进行复合，可以减少硫正极充放电过程中正极活性物质体积变化造成的活性物质剥离。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种预锂化锡锂合金纳米颗粒，其特征在于：所述预锂化锡锂合金纳米颗粒的化学式为Li_aSn_xA_yB_z，其中，A为一种或多种金属元素，B为一种或多种非金属元素，该预锂化锡锂合金纳米颗粒用于添加到锂硫电池的正极中。

进一步的，0.3≤I＜0.5。