一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法与流程

本发明设计一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法，涉及化学电源领域。

背景技术：

1、锂硫电池以其高的理论比能量（2600 wh/kg）和低廉的价格、环境无害而备受关注。传统的碳硫复合正极材料，因其穿梭现象所带来的循环性能衰减、库伦效率下降、锂枝晶粉化等一系列问题，极大的阻碍了锂硫电池的实用性。

2、硫化聚丙烯腈所谓一类新型的含硫正极材料，因其优异的循环性能和接近100%的库伦效率，而被认为是更接近实用化的锂硫电池正极材料。一般认为，硫化聚丙烯腈是聚丙烯腈在一定温度条件下环化，并由硫取代聚合物主链上的氢而形成，在循环过程中没有穿梭现象的存在，但正是因为聚合物主链的导电性能较差，导致硫化聚丙烯腈正极材料仍面临倍率性能较低的问题。目前提升硫化聚丙烯腈正极材料倍率性能的常用解决方案是硫化聚丙烯腈与导电剂（通常是导电碳）共混来实现。但是，所添加的导电剂仅能解决硫化聚丙烯腈正极的电子导电问题，如何提升硫化聚丙烯腈正极的离子导电性，目前仍很少涉及。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法，以无定形多硫化钛取代单质硫作为硫化聚丙烯腈制备过程中的硫源，将其中一部分以-ti-s-键的形式进入硫化聚丙烯腈的本体结构中，另一部分以二硫化钛的形式原位包覆在钛硫化聚丙烯腈正极材料表面，在充放电过程中形成的li2s与tis2反应，li2s＋ xtis2→li2ti xs2 x+1固态电解质，其离子电导率达到10-3s/cm以上，提高正极材料的离子电导率，进而提升电池的倍率性能。

2、第一方面，本发明提供了一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料的制备方法，包括以下步骤：

3、（1）将无定形多硫化钛、聚丙烯腈混合均匀，并在惰性气氛中密封；

4、（2）将上述混合物进行加热处理，制得二硫化钛@钛硫化聚丙烯腈正极材料。

5、根据本发明进一步改进，在步骤（1）中，无定形多硫化钛的钛与硫的原子比为1：3~8；聚丙烯腈的分子量为10000~500000；聚丙烯腈与多硫化钛的质量比为1：2~100；惰性气氛为氮气或氩气。

6、根据本发明进一步改进，在步骤（2）中，热处理的反应温度为200~500℃，反应时间1~20小时。

7、第二方面，本发明提供了一种高倍率性能钛硫化聚丙烯腈正极材料，所述钛硫化聚丙烯腈正极材料与金属锂、锂合金、硅、石墨组装成二次电池。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

9、1. 所制备的二硫化钛@钛硫化聚丙烯腈正极材料，包覆层二硫化钛在充放电过程中形成li2ti xs2 x+1固态电解质，其离子电导率达到10-3s/cm以上，可以提高硫化聚丙烯腈正极材料的离子电导率。

10、2. 本发明所用的化学原料价格低廉，反应方法简便，易于大规模制备，具有商业化潜力。

技术特征：

1.一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，无定形多硫化钛的钛与硫的原子比为1：3～8；聚丙烯腈的分子量为10000～500000；聚丙烯腈与多硫化钛的质量比为1：2～100；惰性气氛为氮气或氩气。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，热处理的反应温度为200～500℃，反应时间1～20小时。

4.根据权利要求1所述的高倍率性能钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法，其特征是钛硫化聚丙烯腈正极材料与金属锂、锂合金、硅、石墨组装成二次电池。

技术总结
本发明公开了一种高倍率性能的钛硫化聚丙烯腈正极材料及其制备方法，使用无定形多硫化钛取代单质硫作为硫化聚丙烯腈的硫源，一部分钛以Ti‑S键的形式进入硫化聚丙烯腈的本体结构中，另一部分以二硫化钛的形式原位包覆在钛硫化聚丙烯腈正极材料的表面，从而提高正极材料的倍率性能。二硫化钛@钛硫化聚丙烯腈正极材料有优良的循环稳定性、倍率性能和库伦效率，在1C倍率下，该材料稳定循环容量700mAh/g，循环300周平均库伦效率大于99.9％；即使在30C倍率下，该材料的循环容量仍有430mAh/g。本方法对锂硫电池的实用化有重要的推动作用。

技术研发人员：周海燕,王安邦
受保护的技术使用者：安徽通能新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22