一种锂硫电池正极用膜材料制造技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极用膜材料，属于电化学电池技术领域。本发明专利技术针对传统锂硫电池导电性能差、活性物质利用率低等缺点，设计制备锂硫电池正极用膜材料，其具有多层滤网结构，空隙发达，电导性能高，且制备工艺简单，对环境无任何危害。将该正极用膜材料置于正极片与隔膜之间，能有效抑制电池充放电过程中多硫化物在电解液中溶解，减少多硫化物对金属锂负极的腐蚀作用。采用该膜材料的锂硫电池活性物质利用率高，循环性能稳定，在0.162mA/cm2的电流密度下，首次放电比容量为1037.3mAh/g，50次循环后放电比容量仍保持在702mAh/g以上，与传统的锂硫电池相比性能更加优越，成本更加低廉，为锂硫电池走向市场化奠定了良好基础。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种锂硫电池正极用膜材料，属于电化学电池
。本专利技术针对传统锂硫电池导电性能差、活性物质利用率低等缺点，设计制备锂硫电池正极用膜材料，其具有多层滤网结构，空隙发达，电导性能高，且制备工艺简单，对环境无任何危害。将该正极用膜材料置于正极片与隔膜之间，能有效抑制电池充放电过程中多硫化物在电解液中溶解，减少多硫化物对金属锂负极的腐蚀作用。采用该膜材料的锂硫电池活性物质利用率高，循环性能稳定，在0.162mA/cm2的电流密度下，首次放电比容量为1037.3mAh/g，50次循环后放电比容量仍保持在702mAh/g以上，与传统的锂硫电池相比性能更加优越，成本更加低廉，为锂硫电池走向市场化奠定了良好基础。【专利说明】一种锂硫电池正极用膜材料
本专利技术具体涉及一种锂硫电池正极用膜材料，属于电化学电池
。
技术介绍
随着科技迈入新的绿色能源时代，生产成本、循环寿命、安全性能、使用效率等指标成为我们考察储能体系的重要标准。传统的二次电池存在比能量低、价格昂贵、无法满足动力汽车需求等缺憾。因此，开发下一代高比能量、价格低廉、长循环寿命的新型绿色二次电池显得尤为重要。锂硫电池具有原材料廉价易得、环境友好、体系比能量高等特点，是目前最有前途的储能体系之一，已成为近年来广泛研究的重点。 锂硫电池是一种以单质硫为正极、金属锂为负极的新型绿色二次电池。单质硫作为正极材料，其优点主要表现为价格低廉、环境友好，且比容量高。单质硫的理论比容量为1675mAh/g，理论比能量为2600Wh/Kg，远高于目前已经市场化的二次电池。锂硫电池虽具有众多优点，也存在一些缺憾，如导电性差，容量衰减过快，循环寿命短等问题，均已成为限制锂硫电池市场化的重要因素。 中国专利(公布号:CN102623676A)公开了一种锂硫电池用正极材料，由聚萘或其衍生物与硫组合而成，在100mA/g充放电电流密度下循环50次后，电池容量为690.2mAh/go该正极材料虽能有效固载硫元素，但制备工艺复杂，成本较高，活性物质没有得到充分利用。Wang等公开了一种锂硫电池用石墨烯/硫复合正极材料，电池循环50次后放电比容量仍稳定在600mAh/g以上。该复合材料与其他复合硫材料相比具有电性能优异等特点，但其工艺流程冗长、操作复杂，且成本高，仍不能满足工业化生产需要(Wang，H.，Y.Yang, andY.Liang.Graphene-Wrapped Sulfur Particles as a Rechargeable Lithium-SulfurBattery Cathode Material with High Capacity and Cycling StabiIity.NanoLetters, 2011.11(7):2644-2647.)。 研究发现，锂硫电池容量衰减的主要原因是电极结构的破坏。在充放电过程中单质硫易溶解生成可溶性多硫化物，多硫化物溶于电解液中将导致电池充放电的库伦效率降低，并且会随着电解液进一步扩散到锂负极上，造成金属锂负极的腐蚀，带来不可逆的容量损失。因此，解决充放电过程中产生的中间产物的溶解问题，是提高电池循环性能的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂硫电池正极用膜材料。 为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是: 一种锂硫电池正极用膜材料，其制备方法包括以下步骤: ( I)膜前驱体材料预处理:将膜前驱体材料置于醇溶液中浸泡，洗涤后真空干燥备用； (2)取填充物质、稳定剂及粘结剂A，调浆后涂布于步骤(I)预处理的膜前驱体材料上，真空干燥，得到附有填充物质的膜前驱体材料； (3)取步骤(2)附有填充物质的膜前驱体材料，在惰性气氛中高温处理即得。 所述步骤(I)中膜前驱体材料为棉布、涤纶布、无纺布、导电碳纤维布中的一种或多种。 所述步骤(I)中醇溶液为乙醇、乙二醇或异丙醇的水溶液，浓度为10?50%。 所述步骤(I)中浸泡的时间为5?10小时。 所述步骤(I)中真空干燥的温度为50?100°C，干燥时间为2?10小时。 所述步骤(2)中填充物质为乙炔黑、超导炭黑、超导石墨、碳纳米管、科琴黑、介孔碳中的一种或多种。 所述步骤(2)中稳定剂为纳米氧化铝、纳米二氧化硅、纳米过渡金属氧化物中的一种或多种。纳米过渡金属氧化物典型的有纳米氧化锌、纳米氧化锆、纳米二氧化钛和纳米五氧化二钒。 所述步骤(2)中粘结剂A为聚偏氟乙烯溶液(PVDF，10?20wt%，溶剂为NMP)、羧甲基纤维素溶液(CMC，5?15wt%，溶剂为蒸馏水)或聚四氟乙烯乳液(PTFE，60wt%)。 所述步骤(2)中填充物质与粘结剂A的质量比为1: (I?10)。 所述步骤(2)中稳定剂的质量为填充物质质量的I?20%。 所述步骤(2)中真空干燥的温度为50?100°C，干燥时间为5?24小时。 所述步骤(3)中涂布的方式为刮涂或喷涂，浆料在膜前驱体材料上的涂布厚度为0.02 ?0.2mm。 所述步骤(3)中高温处理的温度为200?450°C，处理时间为2?6小时。 一种锂硫电池，所述的正极用膜材料位于锂硫电池正极片与隔膜之间，置于正极片面向隔膜的一侧。 所述的锂硫电池正极片的制备方法为:将正极活性物质、导电剂、粘结剂B按照(6?8): (I?3):1的质量比混匀，调浆后涂布于正极集流体上，真空干燥后压片即得。 所述的正极活性物质为单质硫材料、金属硫化物材料或碳硫复合材料。 所述的金属硫化物材料典型的有NiS、CuS等，制备方法参见文献1、2中提到的机械球磨法(文献 1:Han S-C, Kim K-ff, Ahn H-J, et al.Charge-discharge mechanismof mechanicalIy alloyed NiS used as a cathode in rechargeable lithiumbatteries .J Alloys Compd，2003，361 (1-2): 247 ;文献2:Hayashi A，Ohtomo Tj MizunoFj et al.All-solid-state Li/S batteries with highly conductive glass-ceramicelectrolytes.Electrochem commun, 2003，5(8):701)o 所述的碳硫复合材料为活性炭与硫复合材料、介孔碳与硫复合材料、碳纳米管与硫复合材料等，制备方法为:将上述不同碳源分别与单质硫混合均匀，置于密闭容器(如烧瓶)中，在150?160°C下加热2.5?3.5h (优选为在155°C下加热3h)，得到不同碳源与硫的复合材料。 所述的导电剂为炭黑(SP)、超导炭黑、超导石墨、科琴黑中一种或多种。 所述的粘结剂B为聚偏氟乙烯(PVDF)或羧甲基纤维素(CMC)。 所述的调浆采用的溶剂为水或N-甲基-2吡咯烷酮(NMP)。 所述的正极集流体为铝箔。 所述的真空干燥的温度为60?80°C，干燥时间为6?10小时。 具体的，所述锂硫电池的负极材料采用金属锂或锂合金。 所述的锂合金为L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂硫电池正极用膜材料，其特征在于：正极用膜材料的制备方法包括以下步骤：（1）膜前驱体材料预处理：将膜前驱体材料置于醇溶液中浸泡，洗涤后真空干燥备用；（2）取填充物质、稳定剂及粘结剂A，调浆后涂布于步骤（1）预处理的膜前驱体材料上，真空干燥，得到附有填充物质的膜前驱体材料；（3）取步骤（2）附有填充物质的膜前驱体材料，在惰性气氛中高温处理即得；所述步骤（1）中膜前驱体材料为棉布、涤纶布、无纺布、导电碳纤维布中的一种或多种；所述步骤（2）中填充物质为乙炔黑、超导炭黑、超导石墨、碳纳米管、科琴黑、介孔碳中的一种或多种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹朝霞，马超，尹艳红，杨书廷，岳红云，李向南，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41