一种钠硫电池正极材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种钠硫电池正极材料及其制备方法和应用，特别涉及一种通过简单的溶剂热法制备得到的由二维二碲化钼(mote2)纳米片组装而成的三维花状结构材料，并在充当钠硫电池硫宿主材料时表现出优异的电化学性能，属于钠硫电池。

背景技术：

1、便携式电子设备、电动汽车和大规模电网的快速发展极大地促进了高能量密度电池系统的发展。其中，可充电锂离子电池(libs)凭借其相对较高的能量密度和良好的循环寿命而广泛应用到现代社会的方方面面。然而，应用最广泛的libs由于其能量密度限制和稀缺的锂资源而难以在大规模储能中持续应用。因此，迫切需要追求其他高能量密度的新型电池体系。

2、金属硫电池因其超高的理论能量密度和比容量、丰富的硫资源和环境友好性而被广泛认为是代替libs的理想电池候选。与高成本(>250$kg-1)和地壳资源有限(0.0018wt％)的锂相反，金属钠拥有低成本(<5$kg-1)和资源更丰富(>2.5wt％)的优势。其次，室温钠硫(rt na-s)电池具有与锂硫电池(lsbs)相似的化学性质和优势，如高理论能量密度(1274whkg-1)、资源丰富(na和s)且无毒，因此rt na-s电池是一种技术上可行的libs替代品。然而，一些固有的障碍不可避免地阻碍了rt na-s电池的现实应用。首先，具有绝缘属性的s和na2s会阻碍电子/离子的传输和多硫化物的氧化还原转化，从而导致极化增加和降低的硫利用率。其次，循环过程中硫的巨大体积膨胀(170％)会导致电极结构的崩溃。最后，可溶性多硫化物的穿梭行为会导致循环稳定性差和库仑效率低。

3、过渡金属二硫族化物(tmds，mox2(x＝s，se))已被广泛用作lsbs的正极催化剂载体材料，同时组装出的电池也表现出优异的电化学性能。然而，储能应用中的大多数tmds受限于低电导率、较少的电催化位点和较差的电化学稳定性。作为tmds的一种，二维钼基材料(mote2)具有更宽的层间距0.699nm，大于mos2(0.615nm)和mose2(0.646nm)。一般来说，更大的层间空间可以更高效地容纳半径较大的na+，还可以有效提升电池在循环过程中tmds的结构稳定性。同时，te更高的电子电导率2×102s m-1也加快了na+的传输速度，从而有效提升电池的可逆容量。此外，作用于(te-mo-te)键的较弱的范德华相互作用可以削弱层间的作用力以储存过量的na+，而且没有明显的体积变化。然而，鲜有关于mote2作为钠硫电池高效催化剂载体材料的报道。

4、研究表明，多硫化物穿过电解液向负极扩散而引起的穿梭效应和缓慢的硫氧化还原反应动力学是导致钠硫电池电化学不稳定的根本原因，为了克服这一问题，考虑将硫与三维花状mote2复合作为硫复合载体材料。其中，独特的三维花状结构不仅可以物理捕获多硫化物以防止穿梭，而且表面的二维纳米片更容易暴露丰富的活性位点以催化多硫化物的氧化还原反应。此外，极性材料mote2展现出对多硫化物优异的化学吸附能力和高效的催化转化性能。因此，三维花状mote2在充当钠硫电池硫载体材料时，其电池表现出稳定的循环性能和高倍率性能。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明是目的在于提供了一种钠硫电池正极材料的制备方法及其正极极片。

2、为达到上述目的，可以采用以下技术方案：一种钠硫电池正极材料，为mote2/s复合材料，是一种通过溶剂热法制备出的由二维mote2纳米片组装而成的三维花状结构材料。

3、制备所述的钠硫电池正极材料的方法，具体包括以下步骤：

4、(1)制备mote2：

5、将moo3和te粉末均匀溶解在n，n-二甲基甲酰胺(dmf)和水合肼的混合溶液中，然后将混合溶液搅拌均匀，并转移到聚四氟乙烯反应釜中进行溶剂热反应，冷却后，将反应产物离心，用dmf洗涤并干燥过夜以获得mote2粉末；

6、(2)制备mote2/s：

7、将mote2和升华硫均匀混合，然后转移到玻璃瓶中，并在管式炉中ar气氛下加热反应实现均匀的硫分布，然后将获得的复合材料加热以消除材料表面过量的硫，得到mote2/s复合材料。

8、所述步骤(1)中n，n-二甲基甲酰胺和水合肼组成的混合溶液中两者体积比为1:3。

9、所述步骤(1)中在聚四氟乙烯反应釜中溶剂热反应加热温度为240℃，保温时间为24h。

10、所述步骤(2)中mote2和升华硫质量比1:9～1:3。

11、所述步骤(2)中在管式炉中加热温度为155℃，保温时间为12h。

12、所述步骤(2)中复合材料的加热温度为200℃，加热时间为30min。

13、所述的钠硫电池正极材料在钠硫电池正极片中的应用。

14、所述的钠硫电池正极材料在钠硫电池中的应用。

15、有益效果：

16、本发明制备的mote2具有较宽的层间距不仅能够容纳半径较大的na+以防止材料结构崩溃，还可以促进电子/离子的传输，提升材料的电子导电性。

17、此外，作用于(te-mo-te)键较弱的范德华相互作用可以削弱层间的作用力以储存过量的na+，以限制循环过程中的体积膨胀。

18、由二维纳米片组装而成的独特mote2三维花状结构材料不仅可以物理捕获多硫化物以防止穿梭效应，并充当钠硫电池的硫宿主材料。而且表面的二维纳米片结构也更容易暴露丰富的活性位点以催化多硫化物的氧化还原反应。此外，极性材料mote2展现出对多硫化物优异的强化学吸附能力和高效的催化转化性能。得益于上述优势，三维花状mote2在充当钠硫电池硫载体材料时，其电池表现出稳定的循环性能和高库伦效率。

技术特征：

1.一种钠硫电池正极材料，其特征在于，为mote2/s复合材料，是一种通过溶剂热法制备出的由二维mote2纳米片组装而成的三维花状结构材料。

2.制备权利要求1所述的钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中n，n-二甲基甲酰胺和水合肼组成的混合溶液中两者体积比为1:3。

4.根据权利要求2所述的制备钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中在聚四氟乙烯反应釜中溶剂热反应加热温度为240℃，保温时间为24h。

5.根据权利要求2所述的制备钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中mote2和升华硫质量比1:9～1:3。

6.根据权利要求2所述的制备钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中在管式炉中加热温度为155℃，保温时间为12h。

7.根据权利要求2所述的制备钠硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中复合材料的加热温度为200℃，加热时间为30min。

8.权利要求1所述的钠硫电池正极材料在钠硫电池正极片中的应用。

9.权利要求1所述的钠硫电池正极材料在钠硫电池中的应用。

技术总结
本发明公开了一种钠硫电池正极材料及其制备方法和应用，通过溶剂热法，制备出一种由二维MoTe<subgt;2</subgt;纳米片组装而成的三维花状结构材料。由二维MoTe<subgt;2</subgt;纳米片组装而成的独特三维花状结构不仅可以物理吸附循环过程中的多硫化物，而且在材料表面纳米片上可以暴露丰富的活性位点以促进电子/离子的快速扩散和电催化，从而显著抑制多硫化物的穿梭效应和促进多硫化物的氧化还原转换动力学。此外，极性材料MoTe<subgt;2</subgt;表现出优异的多硫化物化学吸附性，从而实现了增强的循环稳定性和快速的反应动力学。作为钠硫电池的正极材料，表现出优异的循环性能、倍率性能以及稳定的库伦效率。

技术研发人员：高万秸,贺加瑞,贾奥,姚宏树,陆胤旭,吴宇平
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15