一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法及應用技術

本發明專利技術涉及用于電化學能量儲存的鋰硫電池領域，具體涉及一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法及應用。首先制備三維導電碳纖維網絡，然后將碳納米管、導電炭黑與單質硫混合形成均勻的單質硫漿料，以三維導電碳纖維網絡作為集流體，直接將三維導電碳纖維網絡浸入單質硫漿料中，注入單質硫漿料后烘干，形成硫在三維導電碳纖維網絡內均勻分布的碳/硫復合鋰硫電池電極，進一步組裝電池制備出高能量密度的鋰硫電池。本發明專利技術通過在電極制備過程中使用三維柔性高導電碳纖維網絡和高度分散的單質硫漿料，獲得了高載硫量的正極材料，使得鋰硫電池在單位面積高載硫量的情況下，仍然實現了很高的比容量以及良好的循環性能。

【技術實現步驟摘要】
一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法及應用
本專利技術涉及用于電化學能量儲存的鋰硫電池領域，具體涉及一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法及應用。
技術介紹
目前，鋰離子電池的能量密度已難以滿足電動汽車和移動電子設備迅速提高的使用需求，因此發展更高能量密度的新型二次電池勢在必行。以單質硫作為正極材料的鋰硫電池具有很高的理論比容量(1675mAhg-1)和理論比能量(2600Whkg-1)，被認為是下一代高能量密度二次電池的最佳侯選之一。但由于單質硫的電子絕緣特性，以及硫的放電中間產物多硫化物溶于液體電解液所引起的“穿梭效應”嚴重影響鋰硫電池的實際比容量和循環性能，鋰硫電池的實際應用受到很大制約。到目前為止，國內外對鋰硫電池研究的主要集中在以下方面：[文獻1，JiXL,LeeKT,NazarLF.NatMater.8:6(2009)；文獻2，WangHL,YangY,LiangYY,RobinsonJT,LiYG,JacksonA,CuiY,DaiHJ.NanoLett11:7(2011)；文獻3，Li,WY,Zhang,QF,Zheng,GY,Seh,ZW,YaoHB,Cui,Y.NanoLett,13:5534(2013).，即利用多孔碳、石墨烯、導電聚合物等高導電性材料來對硫進行修飾，以達到改善電極導電性和限制多硫化物溶解的目的。盡管取得了一定的進展，但目前研究中普遍存在一個很大的問題，就是研究者大多為了追求高的放電比容量和長的循環壽命，而忽視了電池極片上硫的負載量問題。極片的硫含量普遍小于2mg/cm2，通過對文獻報道數據的換算，可以得出文獻報道的正極極片面積比容量普遍為0.4～2mAhcm-2，遠小于已商品化的鋰離子電池面積比容量(3mAhcm-2)，因此極低的極片面積比容量導致鋰硫電池的能量密度，反而不如商品化的鋰離子電池。因此，專利技術人提出了使用三維導電碳纖維網絡碳骨架作為電極集流體(參見專利：申請號201510069412.5，一種柔性高導電三維連通空心碳纖維的制備方法)，將單質硫漿料分散在此三維骨架中，形成硫活性材料在三維導電碳纖維網絡表面均勻分散負載的鋰硫電池電極結構，實現了高硫負載量(1～80mg/cm2)電極材料的設計構筑，并獲得了良好的電化學性能。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法和應用，在鋰硫電池中引入三維導電碳纖維網絡結構，解決電極材料導電性差等問題。本專利技術的技術方案如下：一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，首先制備三維導電碳纖維網絡，然后將碳納米管、導電炭黑與單質硫混合形成均勻的單質硫漿料，以三維導電碳纖維網絡作為集流體，直接將三維導電碳纖維網絡浸入單質硫漿料中，注入單質硫漿料后烘干，形成硫在三維導電碳纖維網絡內均勻分布的碳/硫復合鋰硫電池電極。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，三維導電碳纖維網絡是以脫脂棉為原材料，通過800～1200℃高溫處理使材料碳化、結晶化，從而得到體積可控、空心、高導電、柔性的碳纖維網絡結構體，中空碳纖維的直徑為1～100微米，內徑為0.5～90微米。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，單質硫漿料是將單質硫、導電炭黑和碳納米管混合分散在分散溶劑中，形成的分散性良好的漿料；分散之前，碳納米管經過體積比1:(2～4)的濃硝酸與濃鹽酸在50～70℃下24小時酸化處理，處理后的碳納米管具有更好的分散性，單質硫粉、酸化處理后的碳納米管以及導電炭黑的質量比例為(6～9):(0.5～2):(0.5～2)。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，單質硫漿料的制備方法有細胞粉碎超聲、水浴超聲或攪拌，實現均一分散。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，分散溶劑為去離子水、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯醇、甘油、氯仿、四氯化碳、二硫化碳、丙酮、甲苯、二甲苯、冰醋酸、聚乙烯吡咯烷酮、丙酮、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸二甲酯、1,2-二甲氧基乙烷、環丁砜、乙腈、1,3-二氧環戊烷、二硫化碳和1,4-丁內酯中的一種或兩種以上；單質硫為斜方硫、正交硫、無定形硫、升華硫中的一種或兩種以上；碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、少壁碳納米管或者多壁碳納米管中的一種或兩種以上。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，單質硫漿料中，碳納米管的質量百分含量為0.1％～20％，硫的質量百分含量為20％～95％。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，鋰硫電池電極制備方法為浸漬法，直接將三維柔性高導電碳纖維網絡浸入單質硫漿料中，通過調節單質硫漿料的濃度來調控硫的擔載量，進一步在60～100℃下烘干24小時，得到鋰硫電池電極材料。所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，在鋰硫電池電極中，硫的負載量根據漿料的濃度20mg/ml～100mg/ml及漿料中硫的質量百分含量來調節，硫的質量面密度為1mg/cm2～80mg/cm2。所述方法制備的高能量密度的鋰硫電池電極的應用，鋰硫電池電極的極片具有柔韌性，彎折角為20°～180°，在彎折條件下保證導電性，用于柔性鋰硫電池。所述方法制備的高能量密度的鋰硫電池電極的應用，利用鋰硫電池電極的極片制備出柔性鋰硫電池，柔性鋰硫電池的組裝在氬氣手套箱中進行；鋰硫電池電極中的三維導電碳纖維網絡起到集流體的作用，鋰硫電池電極的尺寸根據三維導電碳纖維網絡的大小而改變，單片鋰硫電池電極尺寸為3平方毫米至500平方厘米。本專利技術的設計思想是：本專利技術是在傳統鋰硫電池電極的基礎上，使用三維柔性高導電碳纖維網絡實現高硫負載量鋰硫電池電極的構建，并獲得了良好的循環穩定性和較高的比容量，極大提高了鋰硫電池的能量密度以及循環穩定性。本專利技術三維柔性高導電碳纖維網絡的引入，使電子在電極內的傳輸更加快速、穩定。本專利技術通過在硫漿料中引入碳納米管省去了傳統粘結劑的使用，進一步提高了電極的導電能力。此外，輕質的三維柔性高導電碳纖維網絡本身起到了集流體的作用，避免了傳統鋁箔集流體的使用，進一步提高了電池的能量密度。本專利技術的優點及有益效果如下：1、本專利技術中鋰硫電池電極的設計組成避免了傳統的鋰硫電池集流體和粘結劑的使用，且電極具有一定的柔性，適于柔性鋰硫電池的構建。2、本專利技術提出的實現高能量密度的鋰硫電池的方法具有一定普適性，本專利技術直接將活性物質漿料浸漬到三維導電碳纖維網絡中中形成良好的導電通路，也適用于其他電極體系。3、本專利技術提出的實現高能量密度鋰硫電池的方法，能夠有效利用三維導電碳纖維網絡的結構優勢，通過調節漿料濃度，可以極大提高活性物質硫的擔載量，從而提高鋰硫電池的能量密度。4、本專利技術提出的實現高能量密度鋰硫電池的方法，能夠在保證電池高容量的同時，使其具有柔韌性。5、本專利技術提出的實現高能量密度的鋰硫電池的方法工藝簡單，可靠性強，易于放大。6、本專利技術在鋰硫電池中引入三維導電碳纖維網絡結構有效解決了電極材料導電性差的問題，使用碳納米管替代傳統的不導電粘結劑，進一步提高了電極的導電性。7、本專利技術提出的鋰硫電池結構的設計，可實現高比容量和長循環使用壽命，具有潛在的實用價值。附圖說明圖1為硫漿料的光學照片，圖中左右分別為未添加碳納米管的漿料、添加了碳納米管的漿料；上中下三圖分別表示漿料剛分散、靜置1小時后及靜置3本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，其特征在于，首先制備三維導電碳纖維網絡，然后將碳納米管、導電炭黑與單質硫混合形成均勻的單質硫漿料，以三維導電碳纖維網絡作為集流體，直接將三維導電碳纖維網絡浸入單質硫漿料中，注入單質硫漿料后烘干，形成硫在三維導電碳纖維網絡內均勻分布的碳/硫復合鋰硫電池電極。

【技術特征摘要】
1.一種高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，其特征在于，首先制備三維導電碳纖維網絡，然后將碳納米管、導電炭黑與單質硫混合形成均勻的單質硫漿料，以三維導電碳纖維網絡作為集流體，直接將三維導電碳纖維網絡浸入單質硫漿料中，注入單質硫漿料后烘干，形成硫在三維導電碳纖維網絡內均勻分布的碳/硫復合鋰硫電池電極；三維導電碳纖維網絡是以脫脂棉為原材料，通過800～1200℃高溫處理使材料碳化、結晶化，從而得到體積可控、空心、高導電、柔性的碳纖維網絡結構體，中空碳纖維的直徑為1～100微米，內徑為0.5～90微米；通過調節單質硫漿料的濃度來調控硫的擔載量，其中所述烘干溫度為60～100℃，烘干時間為24小時，得到鋰硫電池電極材料；在鋰硫電池電極中，硫的擔載量根據漿料的濃度20mg/ml～100mg/ml及漿料中硫的質量百分含量來調節，硫的質量面密度為1mg/cm2～80mg/cm2。2.按照權利要求1所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，其特征在于，單質硫漿料是將單質硫、導電炭黑和碳納米管混合分散在分散溶劑中，形成的分散性良好的漿料；分散之前，碳納米管經過體積比1:（2～4）的濃硝酸與濃鹽酸在50～70℃下24小時酸化處理，處理后的碳納米管具有更好的分散性，單質硫、酸化處理后的碳納米管以及導電炭黑的質量比例為（6～9）:（0.5～2）:（0.5～2）。3.按照權利要求2所述的高能量密度的鋰硫電池電極的制備方法，其特征在于，單質硫漿料的制備方法有細胞粉碎超聲、水浴超聲或攪拌，實現均一分散。4.按照權利要求2所述的高能量密度的鋰硫電池電極...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉暢，趙石永，方若翩，侯鵬翔，李峰，成會明，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21