本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。該復(fù)合正極材料是將硫和多孔碳毛氈復(fù)合后所得到的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。所述的多孔碳毛氈是活性炭毛氈或介孔碳毛氈,含硫量為30%-70%。利用碳毛氈的多孔結(jié)構(gòu)來限制多硫化物的溶解，另外和傳統(tǒng)多孔碳材料不同的是，碳毛氈可部分或全部取代粘結(jié)劑和乙炔黑的作用，不需要另外添加，進(jìn)而有效的提高電極材料的整體的能量密度，因此本發(fā)明專利技術(shù)里的復(fù)合電極材料用于二次鋰硫電池時展現(xiàn)了良好的放電性能和特別高的面容量。同時碳毛氈本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定其可直接應(yīng)用于軟包裝電池，不同于傳統(tǒng)的硫電極仍需要制漿涂覆的步驟，具有較高的實用前景。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料
本專利技術(shù)涉及一種用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。
技術(shù)介紹
在理論上，鋰與硫完全反應(yīng)后生成Li2S，可實現(xiàn)2電子反應(yīng)，且單質(zhì)硫的原子量明顯輕于目前商業(yè)化鋰離子電池的嵌入化合物正極材料，是最具潛力的高容量電極材料。其電極理論比容量可高達(dá)1675 mAh/g,以硫與金屬鋰構(gòu)建的鋰/硫二次電池體系的理論能量密度達(dá)2600 Wh/kg，和已商業(yè)化或研究較多的鋰離子電池的正極材料鈷酸鋰、尖晶石型錳酸鋰、鋰鎳鈷錳單元或多元層狀氧化物、橄欖石型磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等化合物相比，具有絕對的能量和成本優(yōu)勢，成為國內(nèi)外新能源汽車動力電池技術(shù)研究方向之一(S.Evers, L.F.Nazar, Accounts of Chemical Research, 2013, 46,1135.)。但是硫正極材料存在一些不容忽視的問題，這限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用(Y.-X.Yin, S.Xin, Y.-G.Guo, L.-J.Wan, Angew.Chem.1nt.Ed.2013，52，13186)。一是，活性材料利用率低，這主要是由于單質(zhì)硫所固有的電子絕緣性(5 X 10-30 S/cm, 25 ° C)使其表現(xiàn)為電化學(xué)鈍性。二是，硫電極的放電中間產(chǎn)物-鋰的多硫化物-在有機(jī)電解質(zhì)體系中具有高的溶解性。這些易溶的多硫化物進(jìn)而擴(kuò)散傳輸?shù)戒囏?fù)極，生成鋰的低階多硫化物，然后再擴(kuò)散回到硫正極，從而引起鋰負(fù)極的腐蝕，破壞電池體系的循環(huán)性能，并造成活性物質(zhì)的損失。這種“穿梭效應(yīng)(shuttle)”的發(fā)生，嚴(yán)重制約了硫電極的循環(huán)性能和實用電池體系的發(fā)展。三是，完全放電過程中導(dǎo)電性和電化學(xué)可逆性差的Li2S2/Li2S生成，造成了活性物質(zhì)的損失和循環(huán)性能變差。為解決這一系列關(guān)鍵問題，近年來圍繞解決硫電極的循環(huán)壽命和提高其活性物質(zhì)利用率進(jìn)行了大量探索研究。為提高硫電極的利用率和限制多硫化物的溶解，研究者在正極材料復(fù)合、電解質(zhì)及負(fù)極材料改性等方面進(jìn)行了大量有意義的研究(Y.-X.Yin, S.Xin, Y.-G.Guo,L.-J.Wan, Angew.Chem.1nt.Ed.2013, 52, 13186; D.Bresser, S.Passerini, B.Scrosati, Chem.Commun., 2013, 49, 10545.)。通過這些改性手段,硫基正極材料的性能得到了較大改善。但是為了進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用，仍然要面臨幾個問題。一是，硫在整個電極片中的含量，制備傳統(tǒng)硫電極的比例是7:2:1，如果復(fù)合材料硫含量是70%，那硫的整體比例仍然才49%，但是硫含量在70%以上是，其容量和循環(huán)性都會迅速的變差，因此傳統(tǒng)的硫的電極的制備方法很難統(tǒng)一高電化學(xué)性能和高硫含量；二是電極的制備方法要簡單，這有利于商業(yè)化軟包裝電池的組裝。因此采用多孔碳有序堆積材料來負(fù)載硫是解決這些問題的一個有效辦法。中國專利CN103500820A公開了一種用于鋰硫電池的硫/多孔碳包覆碳納米管復(fù)合正極材料及其制備方法，由多孔碳包覆碳納米管復(fù)合碳材料與單質(zhì)硫復(fù)合而成；制備方法是先將聚巴多胺包裹在碳納米管表面，再通過高溫炭化后，和單質(zhì)硫復(fù)合，制備方法復(fù)雜，條件苛刻，成本高。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。利用碳毛氈的多孔結(jié)構(gòu)來限制多硫化物的溶解，同時碳毛氈可以部分或者全部取代粘結(jié)劑和乙炔黑的作用，進(jìn)而有效提高電極材料整體的能量密度，本專利技術(shù)用于二次鋰硫電池時展現(xiàn)了良好的放電性能和特別高的面容量。同時由于碳毛氈本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可直接應(yīng)用于軟包裝電池，而不需要制漿涂覆的步驟，具有更大的實用前景。本專利技術(shù)提供的用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料是以單質(zhì)硫和多孔碳毛氈為原料直接復(fù)合，得到的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。所述的多孔碳毛氈是活性炭毛氈或介孔碳毛氈。所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料中含硫量為30%_70% (質(zhì)量)。可選地，所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料中含硫量為40%-50%。所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料應(yīng)用于鋰硫電池正極時，可添加粘結(jié)劑。所述添加粘結(jié)劑首先分散到溶液中，然后滴加到多孔碳毛氈上，粘結(jié)劑的添加量為2%_20% (質(zhì)量)。所述的粘結(jié)劑是聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯，以及淀粉、糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉、丁苯橡膠、阿拉伯膠和海藻酸鈉等水溶性粘結(jié)劑中的一種或幾種。所述的復(fù)合的方法是滲透與熱處理法或溶液滲透浸潤法。具體可以是經(jīng)過下述步驟: 按計量將單質(zhì)硫粉分散到乙醇溶液中，混合均勻，加入氧化鋯球磨罐中，500-600轉(zhuǎn)球磨2-4h ;所得的含硫漿料用滴管滴在活性炭毛氈上，55-58° C真空干燥處理14-20h ;壓緊，然后在馬弗爐中152°C熱處理12-20h ;或 單質(zhì)硫分散溶解到二硫化碳的溶液中，然后將活性碳毛氈壓緊放進(jìn)所配制的硫的二硫化碳溶液中浸潤5-6h，取出放入通風(fēng)櫥中放置12-20h，然后55°-58 ° C真空干燥14_20h處理。所述的鋰硫電池是以硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料為正極活性物質(zhì)，金屬鋰和鋰合金為負(fù)極，與有機(jī)電解質(zhì)組成鋰二次電池。本專利技術(shù)制備出了高性能的硫-多孔碳毛氈復(fù)合材料。多孔碳毛氈含有豐富的納米孔可以限定多硫化物的溶解；而其所構(gòu)建的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以取代粘結(jié)劑和乙炔黑的作用，不用再另外加入，則保證了復(fù)合材料的高面容量。所制復(fù)合材料有效的避免了鋰/硫電池中存在的問題，在保持了材料的循環(huán)性能的同時，具有特別高的面容量。同時和傳統(tǒng)的硫電極制備方法，制備方法簡單，可實現(xiàn)大量生產(chǎn)，具有實用前景。本專利技術(shù)以硫-多孔碳毛氈為正極材料的鋰二次電池，與現(xiàn)有各種鋰離子電池相比，具有成本低廉，面容量高等優(yōu)點(diǎn)?！靖綀D說明】圖1為活性炭毛租復(fù)合硫前后的XRD圖。圖2為活性炭毛氈復(fù)合硫前后的掃描電鏡圖。圖3為滲透與熱處理法所得硫-活性炭毛氈復(fù)合正極材料在80 mA/g的電流密度下充放電曲線圖。圖4為溶液滲透浸潤法所得硫-活性炭毛氈復(fù)合正極材料在40 mA/g的電流密度下充放電曲線圖?！揪唧w實施方式】: 下面結(jié)合附圖和實施例，對本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。下述實施例中所涉及的材料和試劑為市場購買，活性炭毛氈為青島華世潔環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)，其它廠商的活性炭毛氈均可。實驗、測試方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法或按照制造廠商說明書建議的條件實施。實施例1: 稱量5g硫粉到IOOmL的氧化鋯球磨罐中，然后加入20mL乙醇(>99.7%,分析純)，500轉(zhuǎn)球磨2h;然后將所得的含硫漿料用滴管滴加在5g活性炭毛氈(青島華世潔環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)，30mg/cm2)上，58° C真空干燥處理14 h ;將所得的復(fù)合毛氈壓緊，然后在馬弗爐中152° C熱處理14h，既得硫-活性炭毛氈復(fù)合正極材料(滲透與熱處理法制備)，含硫量為48.6%。如圖1所示，在和硫復(fù)合前后，其XRD譜圖沒有明顯的變化。如圖2所示，在和硫復(fù)合前后，其整體形貌沒有明顯變化，都是活性炭纖維交聯(lián)成的導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)，但是在活性炭纖維表面有明顯的硫的存在。實施例2 將上面所得的硫-活性炭毛氈復(fù)合正極材料沖成50mm2的圓片為正極，其中硫的負(fù)載量是14.2mg。金屬鋰為負(fù)極，電解液為lmol/L的LiN(CF3SO2)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于鋰電池的硫?多孔碳毛氈復(fù)合正極材料，其特征在于是以單質(zhì)硫和多孔碳毛氈為原料直接復(fù)合，得到硫?多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于鋰電池的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料，其特征在于是以單質(zhì)硫和多孔碳毛氈為原料直接復(fù)合，得到硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合正極材料，其特征在于所述的多孔碳毛氈是活性炭毛氈或介孔碳毛氈。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合正極材料，其特征在于所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料中含硫量為30%-70%，質(zhì)量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合正極材料，其特征在于所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料中含硫量為40%-50%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合正極材料，其特征在于所述的硫-多孔碳毛氈復(fù)合正極材料加入添加粘結(jié)劑。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的復(fù)合正極材料，其特征在于所述添加粘結(jié)劑是聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、淀粉、糊精、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：賴超，楊東江，郗凱，
申請(專利權(quán))人：江蘇師范大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32
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