本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬-硫/硒電池。

背景技術(shù)：

1、發(fā)展先進(jìn)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、開發(fā)高效電化學(xué)儲(chǔ)能體系是加快構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的關(guān)鍵一環(huán)。目前商業(yè)化鋰離子電池正極材料(三元、磷酸鐵鋰)有限的比容量使得鋰離子電池的能量密度難以突破500whkg-1，成為制約鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。為了滿足人們對(duì)高比能量密度儲(chǔ)能裝置日益增長(zhǎng)的需求，單質(zhì)硫(硒)因其高理論比容量、儲(chǔ)量豐富的優(yōu)勢(shì)而受到了人們的廣泛關(guān)注。特別是鋰-硫(硒)電池，其理論能量密度分別可達(dá)2567wh?kg-1和1160wh?kg-1，成為重要研究體系之一。除鋰-硫(硒)電池體系外，基于儲(chǔ)量豐富且與金屬鋰物化性質(zhì)相近的鈉、鉀，以及基于應(yīng)用低成本、高安全性的多價(jià)金屬鎂、鋁所構(gòu)建的鈉/鉀-硫(硒)電池、鎂/鋁-硫(硒)電池也成為極具研究?jī)r(jià)值和開發(fā)潛力的電池體系。

2、實(shí)際上，盡管硫(硒)電極具有突出的理論比容量，金屬-硫(硒)電池的電化學(xué)性能仍然存在一些瓶頸。硫電極最大的優(yōu)勢(shì)在于理論比容量高，但是較低的電導(dǎo)率(5×10-28sm-1)限制了電池在高倍率下的充放電能力，且硫還原和硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)涉及多電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，決速步較高的反應(yīng)能壘導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)遲緩，限制了硫的完全轉(zhuǎn)化。而硒電極的理論容量雖然比硫電極低，但是其電導(dǎo)率(1×10-3s?m-1)卻遠(yuǎn)高于硫，并且由于其較高的密度(4.81gcm-3)使得其理論體積容量與硫相當(dāng)。

3、在金屬-硫(硒)電池體系中，硫(硒)以及反應(yīng)過(guò)程中涉及的多硫化物/多硒化物中間體易溶解于電解液中，導(dǎo)致活性物質(zhì)流失，造成容量快速衰減，同時(shí)，穿梭至負(fù)極側(cè)的中間反應(yīng)物會(huì)腐蝕金屬表面。引入電催化劑可以起到促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的作用，但如果電催化劑沒(méi)有靶向型，就難以從根本上克服硫(硒)轉(zhuǎn)化決速步驟反應(yīng)能壘高的問(wèn)題。并且，盲目的加快反應(yīng)速度可能會(huì)增加多硫化物的生成，若這些中間產(chǎn)物在決速步中由于較高的反應(yīng)能壘而難以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，將加劇“穿梭效應(yīng)”，這對(duì)于電化學(xué)性能的提升適得其反。因此，針對(duì)反應(yīng)過(guò)程中能壘較高的決速步，尋找和設(shè)計(jì)合適的靶向型電催化劑，有效抑制轉(zhuǎn)化過(guò)程中間體的溶解-穿梭行為，并定向地降低決速步驟的反應(yīng)能壘，對(duì)于提高金屬-硫(硒)電池的比容量、倍率特性、循環(huán)穩(wěn)定性等關(guān)鍵電化學(xué)性能非常關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種金屬-硫/硒電池，本發(fā)明利用靶向型催化劑對(duì)反應(yīng)過(guò)程中決速步驟的定向電催化作用，實(shí)現(xiàn)金屬-硫/硒電池電化學(xué)性能的提升。

2、本發(fā)明提供了一種金屬-硫/硒電池，包括：正極、負(fù)極、隔膜和電解液；所述正極的活性材料為硫、硒和硫硒化合物中的至少一種，所述負(fù)極為金屬負(fù)極；所述正極和/或隔膜上負(fù)載有靶向型電催化劑，所述靶向型電催化劑為金屬硫化物、金屬氮化物、普魯士藍(lán)及其類似物和鈣鈦礦化合物中的一種或多種。

3、優(yōu)選的，所述金屬硫化物為mos2、ws2、sns和bi2s3中的一種或多種；所述金屬氮化物為tin和/或ni3n。

4、優(yōu)選的，所述正極的活性材料為負(fù)載型活性材料，包括多孔載體和負(fù)載在所述多孔載體上的硫、硒和硫硒化合物中的一種。

5、優(yōu)選的，所述金屬負(fù)極為鋰、鈉、鉀、鎂和鋁中的一種。

6、優(yōu)選的，所述電解液為碳酸酯基電解液、醚基電解液或者離子液體。

7、優(yōu)選的，所述隔膜為玻璃纖維膜。

8、優(yōu)選的，負(fù)載有所述靶向型電催化劑的正極由正極活性材料、靶向型電催化劑、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑混合后制備而成。

9、優(yōu)選的，負(fù)載有所述靶向型電催化劑的隔膜按照以下步驟制備：

10、將靶向型電催化劑、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑混合，得到漿料；

11、將所述漿料涂覆于隔膜表面，干燥，得到靶向型電催化劑修飾的隔膜。

12、優(yōu)選的，所述靶向型電催化劑、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(5～10):(0.5～5):1。

13、優(yōu)選的，所述漿料的涂覆干厚度為50～500μm。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種金屬-硫/硒電池，包括：正極、負(fù)極、隔膜和電解液；所述正極的活性材料為硫、硒和硫硒化合物中的至少一種，所述負(fù)極為金屬負(fù)極；所述正極和/或隔膜上負(fù)載有靶向型電催化劑，所述靶向型電催化劑為金屬硫化物、金屬氮化物、普魯士藍(lán)及其類似物和鈣鈦礦化合物中的一種或多種。本發(fā)明將靶向型電催化劑材料應(yīng)用于金屬-硫/硒電池作為功能性隔膜修飾材料，可以定向地降低反應(yīng)過(guò)程中決速步驟的反應(yīng)能壘，加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)硫/硒基正極的高效轉(zhuǎn)化，顯著提高金屬-硫/硒電池的電化學(xué)性能。此外，本發(fā)明所用的靶向型電催化劑材料制備方法簡(jiǎn)單易得，該技術(shù)具有良好的產(chǎn)業(yè)化的潛力。

技術(shù)特征：

1.一種金屬-硫/硒電池，其特征在于，包括：正極、負(fù)極、隔膜和電解液；所述正極的活性材料為硫、硒和硫硒化合物中的至少一種，所述負(fù)極為金屬負(fù)極；所述正極和/或隔膜上負(fù)載有靶向型電催化劑，所述靶向型電催化劑為金屬硫化物、金屬氮化物、普魯士藍(lán)及其類似物和鈣鈦礦化合物中的一種或多種。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述金屬硫化物為mos2、ws2、sns和bi2s3中的一種或多種；所述金屬氮化物為tin和/或ni3n。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述正極的活性材料為負(fù)載型活性材料，包括多孔載體和負(fù)載在所述多孔載體上的硫、硒和硫硒化合物中的一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述金屬負(fù)極為鋰、鈉、鉀、鎂和鋁中的一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述電解液為碳酸酯基電解液、醚基電解液或者離子液體。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述隔膜為玻璃纖維膜。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，負(fù)載有所述靶向型電催化劑的正極由正極活性材料、靶向型電催化劑、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑混合后制備而成。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，負(fù)載有所述靶向型電催化劑的隔膜按照以下步驟制備：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述靶向型電催化劑、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(5～10):(0.5～5):1。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的金屬-硫/硒電池，其特征在于，所述漿料的涂覆干厚度為50～500μm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬?硫/硒電池，包括：正極、負(fù)極、隔膜和電解液；所述正極的活性材料為硫、硒和硫硒化合物中的至少一種，所述負(fù)極為金屬負(fù)極；所述正極和/或隔膜上負(fù)載有靶向型電催化劑，所述靶向型電催化劑為金屬硫化物、金屬氮化物、普魯士藍(lán)及其類似物和鈣鈦礦化合物中的一種或多種。本發(fā)明將靶向型電催化劑材料應(yīng)用于金屬?硫/硒電池作為功能性隔膜修飾材料，可以定向地降低反應(yīng)過(guò)程中決速步驟的反應(yīng)能壘，加快反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)硫/硒基正極的高效轉(zhuǎn)化，顯著提高金屬?硫/硒電池的電化學(xué)性能。此外，本發(fā)明所用的靶向型電催化劑材料制備方法簡(jiǎn)單易得，該技術(shù)具有良好的產(chǎn)業(yè)化的潛力。

技術(shù)研發(fā)人員：崔永朋,周莉,葛麗娜,馮文婷,邢偉,王雅君,李永峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)石油大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2