基于阳离子交换法制备具有核-壳结构的CoS2基热电池正极材料的性能研究

CoS2 has been widely investigated as cathode materials of thermal battery, due to its high electrical conductivity and discharge capacity. But its application is limited due to the poor stability in H2O and/or O2 contained atmosphere, and few researches are focused on stability improvement. Therefore a core-shell structured CoS2 prepared based on the cation exchange method is proposed in the project, aiming to improve the stability by forming the protect layer on the surface of CoS2, which is generated by replacing the Co2+ with other cation. The research of this project will focus on the synthesis, structure and interface characterization of core-shell structured material, cation diffusion, etc, attempting to elucidate the scientific issues as followed: relationship between the core-shell structure and performance; connection of the interface (core/shell) and ion diffusion. Finally a novel core-shell structured CoS2 based cathode for thermal battery will be developed and exhibit good stability, without affecting other properties seriously.

CoS2由于具有高电导率和大放电容量，而被作为热电池正极材料进行广泛研究。但是其在含H2O和O2的环境中发生分解，严重限制其应用，且有关其稳定性的研究开展较少。本项目提出利用简易的阳离子交换法制备具有核-壳结构的CoS2基热电池正极材料，通过采用其它阳离子置换CoS2粉体表面的Co离子，进而在CoS2粉体表面生成致密保护层，来提高其稳定性。在这个项目中，我们将就核-壳材料合成、核-壳材料结构表征、核-壳材料界面特征研究、核-壳材料性能测试、阳离子扩散动力学等领域开展研究，旨在解决核-壳结构与性能之间的联系、核-壳界面特征演变规律与其离子扩散之间的关系等科学问题，最终制备出具有核-壳结构的CoS2基热电池正极材料，实现在对其其它性能影响较小的情况下，明显地提高其稳定性。

本项目针对具有高电导、高热稳定性的热电池CoS2正极材料贮存稳定性差，限制了其在热电池中的广泛应用，开展了相关的研究工作，主要研究内容包括：1）热电池CoS2正极材料的合成方法研究，明确了CoS2合成过程中的关键影响因素；2）CoS2正极材料的贮存特性研究，研究了其分解过程中的关键影响因素，并明确了H2O、氧含量及温度对其贮存特性的影响规律及关键机理；3）热电池Fe-Co-S2正极材料的合成方法及贮存特性研究，研究了Fe对CoS2相关特性的影响，明确了Fe掺杂对CoS2贮存稳定性提升的积极效果；4）在以上工作的基础上，选择与CoS2具有相同晶体结构，且贮存稳定性好的FeS2作为CoS2保护壳层材料，并基于阳离子交换法，选择Fe2+的水溶液，在高温高压的环境下，实现具有核-壳结构的CoS2正极材料的合成；5）研究了不同的合成条件，对具有核-壳结构的CoS2正极材料的贮存特性及其它相关特性的影响，明确了合成条件对CoS2核-壳结构的影响规律及其对CoS2相关特性的影响机制；6）通过在CoS2表面构建Al2O3、AlF3等活性位点，增大CoS2正极材料与熔盐间的接触面积，增大热电池放电过程中的活性面积，加速离子-电子交换转移过程，实现CoS2正极材料低温放电性能的进一步提升，拓宽了CoS2基热电池的工作温度范围。总体而言，通过本项目的执行，获得了具有高贮存稳定性、高放电性能的热电池正极材料及其制备方法，同时也明确了CoS2贮存分解过程中的关键机理、核-壳结构对CoS2性能的影响等关键科学问题。同时，基于上述研究成果，已发表SCI文章3篇，GF报告2篇，获得国家发明专利1项，同时在投SCI文章2篇。更为重要的是，上述的研究成果能够推动CoS2正极材料在相关军事领域的应用，对于推动国防建设的快速发展，具有一定的意义。