一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能锂硫电池正极材料，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球，所述MnO2/PPy复合微球的制备方法为：将二氧化锰和吡咯单体分散于水中，加酸反应，分离出MnO2/PPy复合微球；本发明专利技术所述正极材料的制备方法为：将单质硫与MnO2/PPy复合微球混合，升温反应，制得高性能锂硫电池正极材料使用该方法所制备的电极材料可以改善电极结构的稳定性、提高电极材料的导电性并且能有效地提升锂硫电池的安全性及使用寿命。

A high performance cathode material for lithium sulfur battery and its preparation method

The invention discloses a high performance cathode material for lithium sulfur batteries, which comprises a single sulfur and a MnO 2/PPy composite microsphere for storing elemental sulfur. The preparation method of the MnO 2/PPy composite microsphere is as follows: Manganese dioxide and pyrrole monomers are dispersed in water, acidified, and MnO 2/PPy composite microspheres are separated; the preparation of the cathode material of the invention is as follows: The method is to prepare high performance cathode materials for lithium sulfur batteries by mixing elemental sulfur with MnO 2/PPy composite microspheres and heating reaction. The electrode materials prepared by this method can improve the stability of the electrode structure, improve the conductivity of the electrode materials, and effectively improve the safety and service life of lithium sulfur batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
可充电锂硫(Li-S)电池由于具有理论能量密度高，成本低廉以及环境友好等潜在优势引起了人们广泛关注。其理论能量密度高是通过单质硫与单质锂的多电子电化学氧化还原反应实现，硫的理论比容量高达1675mAh/g，是目前使用的正极材料的5-10倍。因此，锂硫电池有望成为下一代高能量密度储存设备。然而，由于单质硫和硫化锂/二硫化锂导电性差，不利于电池的高倍率性能；其次，多硫化锂溶于电解液造成循环性能衰减严重；再次，硫在充放电过程中，体积膨胀-收缩所造成的内应力会导致电池损坏，这些都限制了锂硫(Li-S)电池在实际生活中的应用。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的问题，本专利技术提出了一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法，使用该正极材料可以改善电极结构的稳定性、提高电极材料的导电性并且能有效地提升锂硫电池的安全性及使用寿命。本专利技术提出了一种高性能锂硫电池正极材料，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球。优选地，所述MnO2/PPy复合微球的制备方法为：将二氧化锰和吡咯单体分散于水中，加酸反应，分离出MnO2/PPy复合微球；优选地，所述的二氧化锰和吡咯单体的摩尔比为1-20:1。优选地，所述的二氧化锰和吡咯单体的摩尔比为1-10：1。优选地，所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸中的至少一种。优选地，所述酸的浓度为0.1-1mol/L。优选地，所述酸为浓度为0.2-0.8mol/L。优选地，所述酸的滴加速度为1-10mL/h。优选地，所述酸的滴加速度为1-5mL/h。优选地，所述加酸反应的反应时间为1-12h。本专利技术还提供一种所述的正极材料的制备方法，包括如下步骤：将单质硫与MnO2/PPy复合微球混合，升温反应，制得高性能锂硫电池正极材料。优选地，所述单质硫与MnO2/PPy复合微球按摩尔比1-10:1混合。优选地，所述单质硫与MnO2/PPy复合微球按摩尔比2-8:1混合。优选地，所述升温反应过程为，先加热到150-160℃，保温20-30h，然后再加热到180-220℃，保温0.1-2h。优选地，反应过程中添加惰性气体保护。优选地，反应过程中添加氩气保护。上述二氧化锰可按照常规方法进行制备，也可按本专利技术提供的制备方法进行制备，具体制备方法如下：将碳酸锰与高锰酸钾溶液混合反应，加酸反应，分离出二氧化锰；其中，所述高锰酸钾溶液的浓度为1-10mmol/L；加入的碳酸锰与高锰酸钾的摩尔比为1-10:1；加酸前的反应时间为2-10h，加酸后反应时间为7-17h；所述酸为浓度在0.5-5mol/L之间的盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸中的至少一种。本方法制备的二氧化锰具有蛋黄型结构。上述碳酸锰可按照常规方法进行制备，也可按本专利技术提供的制备方法进行制备，具体制备方法如下：在机械搅拌的条件下，快速地将碳酸氢铵水溶液加入硫酸锰乙醇水溶液中，继续搅拌数小时，离心分离去除上层浑浊液，水洗三次，鼓风烘箱干燥后制得碳酸锰粉末；其中，所述碳酸氢铵水溶液的浓度为5-50mg/mL；所述硫酸锰乙醇水溶液的浓度为5-50mg/mL；所述硫酸锰乙醇水溶液中乙醇和去离子水的体积比为1：5-15；所述碳酸氢铵水溶液加入到硫酸锰乙醇水溶液要控制在3s以内；所述机械搅拌的转速为100-500rpm，搅拌时间为1-3h；所述离心的转速为800-1500rpm；所述鼓风烘箱干燥的温度为50-70℃。本专利技术还提供所述正极材料的一种用途：将本专利技术正极材料与导电剂和粘合剂在溶剂中混合以形成浆料，随后将浆液涂布在铝箔上并在高温烘烤可以制成电池极片；其中，所述正极材料、导电剂、粘合剂的质量比为70-80:5-15:5-15；所述溶剂可为N-甲基-2-吡咯烷酮；所述粘合剂可为聚偏二氟乙烯；所述高温烘烤的温度为50-80℃，时间为10-20h。本专利技术提出的一种高性能锂硫电池正极材料，主要是通过合成具有蛋黄型结构的MnO2/PPy复合微球来储存单质硫。其中，MnO2可以吸附反应过程形成的多硫化锂，抑制多硫化锂的穿梭效应，防止正负极材料的损失；引入聚吡咯可以提高电极材料的导电性，而且MnO2/PPy复合微球这种独特的蛋黄型结构还可以有效地缓和电极在高速充放电过程中体积膨胀-收缩所造成的物理损坏。因此，使用该方法所制备的电极材料可以改善电极结构的稳定性、提高电极材料的导电性并且能有效地提升锂硫电池的安全性及使用寿命。附图说明图1为本专利技术得到的蛋黄型MnO2/PPy复合微球的透射电镜照片；图2为本专利技术得到的蛋黄型MnO2/PPy复合微球的扫描电镜照片。具体实施方式下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1一种高性能锂硫电池正极材料，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球；其中，所述MnO2/PPy复合微球的制备方法为：碳酸锰的制备：在机械搅拌条件下，将7.14g一水合硫酸锰加入到含有500mL去离子和50mL乙醇的混合溶剂中，完全溶解后，快速加入500mL溶解有11.3g碳酸氢铵的水溶液，继续搅拌5h反应结束，离心分离去除上层浑浊液，水洗3次，鼓风烘箱干燥后制得碳酸锰粉末；二氧化锰的制备：将2g干燥的MnCO3粉末与580mL浓度为3mmol/L的高锰酸钾水溶液混合反应5h，滴加3mol/L的盐酸至体系显强酸性后继续搅拌12h，将得到的产物用去离子水洗至少6次后在60℃鼓风烘箱中烘干，得到干燥的蛋黄型二氧化锰粉末；MnO2/PPy复合微球的制备：将二氧化锰和吡咯单体分散于水中，所述的二氧化锰和吡咯单体的摩尔比为1:1，磁力搅拌2h后，以1mL/h的速度缓慢滴加40mL的0.5mol/L硝酸溶液引发反应，滴加完后继续反应12h，之后通过离心机分离产物，分别用水和乙醇各洗3次，最后，将产物放入60℃鼓风烘箱中过夜烘干，得到MnO2/PPy复合微球；其中，得到的蛋黄型MnO2/PPy复合微球的透射电镜照片如图1所示，得到的蛋黄型MnO2/PPy复合微球的扫描电镜照片如图2所示。所述的正极材料的制备方法为：将单质硫和MnO2/PPy复合微球按摩尔比1:1均匀混合，然后在氩气保护的条件下先加热到160℃保温20h，然后再加热到220℃保温0.1h，即可制得高性能锂硫电池正极材料。实施例2一种高性能锂硫电池正极材料，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球；其中，所述MnO2/PPy复合微球的制备方法为：碳酸锰的制备：在机械搅拌的条件下，快速地将碳酸氢铵水溶液加入硫酸锰乙醇水溶液中，继续搅拌数小时，离心分离去除上层浑浊液，水洗三次，鼓风烘箱干燥后制得碳酸锰粉末；其中，所述碳酸氢铵水溶液的浓度为5mg/mL；所述硫酸锰乙醇水溶液的浓度为50mg/mL；所述硫酸锰乙醇水溶液中乙醇和去离子水的体积比为1：5；所述碳酸氢铵水溶液加入到硫酸锰乙醇水溶液要控制在3s以内；所述机械搅拌的转速为500rpm，搅拌时间为1h；所述离心的转速为1500rpm；所述鼓风烘箱干燥的温度为50℃；二氧化锰的制备：将碳酸锰与高锰酸钾溶液混合反应，加酸反应，分离出二氧化锰；其中，所述高锰酸钾溶液的浓度为1mmol/L；加入的碳酸锰与高锰酸钾的摩尔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高性能锂硫电池正极材料，其特征在于，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球。

【技术特征摘要】
1.一种高性能锂硫电池正极材料，其特征在于，包括单质硫及储存单质硫的MnO2/PPy复合微球。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述MnO2/PPy复合微球的制备方法为：将二氧化锰和吡咯单体分散于水中，加酸反应，分离出MnO2/PPy复合微球。3.根据权利要求2所述的正极材料，其特征在于，所述的二氧化锰和吡咯单体的摩尔比为1-20:1；优选地，所述的二氧化锰和吡咯单体的摩尔比为1-10：1。4.根据权利要求2所述的正极材料，其特征在于，所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸中的至少一种。5.根据权利要求2或4所述的正极材料，其特征在于，所述酸的浓度为0.1-1mol/L；优选地，所述酸为浓度为0.2-0.8mol/L；优选地，所述酸的滴加速度为1-10mL/h；优选地，所述酸的滴加速度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪杰，陈萌，宋仲海，魏锴，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34