一种金属棉基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金属棉基锂硫电池正极材料及其制备方法。该正极由金属棉上均匀覆盖单质硫在真空干燥箱中加热将硫注入金属棉的孔隙中去，得到硫复合金属棉材料。该材料解决了单质硫不导电的难题，单质硫附着在导电性良好的金属棉上，能良好的传导电子。并且单质硫附着在金属棉的孔隙中，不易脱落，用这种正极材料制备的纽扣电池有良好的循环性能。本发明专利技术制备工艺简单，对设备要求低，成本低，便于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。该正极由金属棉上均匀覆盖单质硫在真空干燥箱中加热将硫注入金属棉的孔隙中去，得到硫复合金属棉材料。该材料解决了单质硫不导电的难题，单质硫附着在导电性良好的金属棉上，能良好的传导电子。并且单质硫附着在金属棉的孔隙中，不易脱落，用这种正极材料制备的纽扣电池有良好的循环性能。本专利技术制备工艺简单，对设备要求低，成本低，便于工业化生产。【专利说明】
本专利技术涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法，特别是涉及一种硫复合金属棉 材料作为锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着煤、石油、天然气等主要自然资源的逐渐枯竭，能源危机已经成为人类将来必 须解决的重大课题之一。目前绿色无污染的新型高能化学电源已经成为世界各国争相开发 的热点。 锂硫电池具有十分广泛的应用前景，科学家们已经研究了 20多年。锂硫电池不但 能提供高密度的能量，在稳定性、安全性和使用寿命上也更为出色，而且与能用在锂离子电 池中的其他材料相比，硫的成本相对较低，因此，锂硫电池将成为高理论比容量、安全、长寿 以及低碳排放的能源。 锂硫电池是一种利用锂和硫发生化学反应的二次电池，其负极采用金属锂片，正 极为含硫材料，放电时负极产生锂离子，正极中的硫和锂离子反应生成硫化物，充电时正负 极反应逆向进行。单质硫的理论质量比容量为1675mAh/g，这要高于通常锂离子电池正极采 用的金属氧化物的理论放电比容量，与锂组装成电池，理论比能量可达2600Wh/kg，符合电 动汽车（EV)对电池的要求，也符合便携式电子产品对电池"轻、薄、小"的要求，将在锂二次 电池中得到广泛应用。由于硫具有来源广泛（成本低）、理论比容量高、无毒（无污染）、环 境友好等特点，锂硫电池成为人们研究的重点。 锂硫电池采用金属锂作为负极，在充放电循环过程中，负极表面将发生金属锂的 反复溶解和沉积反应，在金属锂表面发生粉化以及形成枝晶，对电池的安全性构成严重威 胁，同时也缩短了电池的循环寿命。同时，由于充放电过程中锂离子不断在正负极之间穿 梭，会引起正负极材料的体积发生膨胀，从而受到破坏，因此要制备出充放电稳定性良好的 正负极材料一直是困扰人们的一大难题。 较长时间以来，单质硫和含硫的无机硫化物、有机硫化物、聚有机二硫化物、有机 多硫化物、聚硫代化物以及碳-硫聚合物等作为高容量的正极材料备受关注，人们对其进 行了很多研究，但是这些材料依然存在很多问题。首先，单质硫和硫化物本身的导电性很 差，必须加入大量的导电剂以增加其导电性。其次，对单质硫作为活性材料的正极来说，虽 然完全充电时正极上存在的元素硫和完全放电时存在的Li2S难溶于极性有机电解液，但 部分充电和放电状态时正极含有的多硫化锂易溶于极性有机电解液，并在负极沉积，影响 电池的循环性能。因此，如何改善材料的导电性，并解决充放电中间产物的溶解问题，提高 电池循环性能，是硫基正极材料的研究重点。 -种研究思路是将硫基材料和具备吸附性与导电性的材料制备成复合材料。由于 单质硫拥有较高的理论容量，可作为该复合材料活性物质的首选材料；对于具备吸附性与 导电性的材料，可选用金属棉材料。 金属棉是一种多孔材料其孔径为10?200 μ m，孔隙率约为60?70%，厚度为 0. 9?1. 1mm。主要用作制备各种服装和特种职业装，具有"轻、薄、软、挺、美、牢"等许多优 点；同时也有应用于过滤材料中，主要是由于其具有均匀的孔隙，能过滤一定尺寸的颗粒。 经过微观结构表征，得知其主要成分为不锈钢。由于金属棉的大部分孔径为20?100 μ m， 孔径很小，孔隙率很高，比表面积很大，因此，其具有良好的物理吸附能力，能牢固的吸附住 附着在金属棉材料表面的单质硫；同时，经测试得知金属棉的主要成分是Fe、Cr、Ni等金属 元素，其具有良好的导电性，能解决单质硫的导电性差的问题。
技术实现思路
本专利技术正是基于上述背景之下，提供一种金属棉基锂硫电池正极材料及其制备方 法。本专利技术由于采用了金属棉作为正极基底材料，解决了单质硫作为锂硫电池正极材料不 能导电而需要加入粘结剂和导电剂的问题，同时由于金属棉的加入，电池充放电循环稳定 性有了很大的提升。 本专利技术一种金属棉基锂硫电池正极材料，是以金属棉这种多孔材料作为基底材 料，在所述基底上加入单质硫，通过真空加热过程让硫进入金属棉的孔隙中去，附着在基底 金属棉上形成正极材料。 本专利技术一种金属棉基锂硫电池正极材料，所述正极材料中金属棉与硫的质量比为 400:1 ?5:1 〇 本专利技术一种金属棉基锂硫电池正极材料，所述金属棉是一种多孔材料，其孔径为 10?200 μ m，孔隙率约为60?70%，厚度为0· 9?L 1mm，经过清洗、干燥可以得到准备好 的金属棉材料；所述的清洗是先在稀盐酸溶液中超声波清洗20?40min，然后在弱碱性的 碳酸氢钠溶液中超声波清洗20?40min，再用去离子水超声波清洗20?30min，所述干燥 为恒温干燥箱中进行，干燥温度为50?80°C，恒温干燥时间为90?120min。以金属棉作 为基底有利于电解液与活性材料的充分接触，同时也为锂离子的快速反应提供通道。 本专利技术一种金属棉基锂硫电池正极材料，所述硫复合金属棉正极材料是一种多孔 正极材料，能有效的缓解充放电过程中锂离子嵌入和脱嵌所引起的正极材料的体积变化。 使电池的充放电循环稳定性良好。 本专利技术一种金属棉基锂硫电池正极材料的制备方法是通过下述方案实现的： 按照金属棉的载硫量为0. 005?0. 05g/cm2称得每块金属棉所需的单质硫，将所 称得的单质硫均匀的覆盖在金属棉上，并放在真空干燥箱中，在120?180°C下，经过180? 240min，使得单质硫进入到金属棉的孔隙中去，即可得到硫复合金属棉的锂硫电池正极材 料。 本专利技术一种硫复合金属棉正极的制备方法，所述的单质硫是颗粒度为10? 100 μ m的干燥单质硫粉末。 本专利技术一种硫复合金属棉材料作为锂硫电池正极材料及其制备方法，具有下述优 占 · 1、本专利技术一种锂硫电池硫复合金属棉正极材料使用的正极材料由金属棉和单质 硫两者烧结而成。金属棉是一种导电性能良好、孔隙率较高、质量轻、渗透性良好而且价格 便宜的材料，其良好的导电性可以解决单质硫作为正极材料不导电的缺点；其较高的孔隙 率可以缓解充放电过程中锂离子的嵌入与脱嵌所引起的正极材料的体积膨胀；金属棉是三 维网络多孔结构，比表面积大，利于电解液与活性物质充分接触，为锂离子的快速反应提供 通道，提升电池的倍率性能；并且金属棉的价格十分便宜，研究的可行性比较好。 2、本专利技术一种锂硫电池使用硫复合金属棉作为正极材料，通过实验发现，用这种 正极材料制备的纽扣电池进行充放电测试，其可逆容量达到480mAh/g，并且具有良好的充 放电循环稳定性，用含硫正极和金属锂片组装而成的纽扣电池进行充放电测试从25次到 180次循环，容量没有出现明显的衰减，一直维持在480mAh/g左右。 3、本专利技术所述的硫复合金属棉正极与其他的将单质硫与导电剂和粘结剂以一定 比例混合、制浆和涂布制备的硫正极材料相比有如下优点：无导电剂和粘结剂；单质硫附 着本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属棉基锂硫电池正极材料，其特征在于：所述锂硫电池的正极是以金属棉这种材料作为基底材料，将单质硫加到金属棉材料的孔隙中形成复合材料的一种多孔正极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋文娟，马增胜，章佳勋，林建国，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43