电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用技术

电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用，涉及电池正极。电池正极设有金属集流体、正极活性物质和黏合剂，正极活性物质通过黏合剂涂布在集流体上，正极活性物质包括碳基/硫复合材料、导电剂。将碳基材料放入水中，超声后得碳基材料分散液；再将硫和硫化钠混合分散在水中，加入TX100，得黄色多硫化物分散液，再加入碳基材料分散液中，超声后加入盐酸，得到碳基-硫化物混合液，水浴，真空抽滤，烘干后再加热处理，得碳基/硫复合材料；将制得的碳基/硫复合材料和导电剂混合并研磨得到正极活性物质粉末，再将正极活性物质粉末和黏合剂溶液混合，制备包括黏合剂涂层的正极活性物质粉体浆料，涂布在金属集流体上，干燥后即得电池正极。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用，涉及电池正极。电池正极设有金属集流体、正极活性物质和黏合剂，正极活性物质通过黏合剂涂布在集流体上，正极活性物质包括碳基/硫复合材料、导电剂。将碳基材料放入水中，超声后得碳基材料分散液；再将硫和硫化钠混合分散在水中，加入TX100，得黄色多硫化物分散液，再加入碳基材料分散液中，超声后加入盐酸，得到碳基-硫化物混合液，水浴，真空抽滤，烘干后再加热处理，得碳基/硫复合材料；将制得的碳基/硫复合材料和导电剂混合并研磨得到正极活性物质粉末，再将正极活性物质粉末和黏合剂溶液混合，制备包括黏合剂涂层的正极活性物质粉体浆料，涂布在金属集流体上，干燥后即得电池正极。【专利说明】电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用
本专利技术涉及电池正极，尤其是涉及一种电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用。
技术介绍
单质硫具有高的能量密度、丰富的自然资源、价格低廉和环境友好等多种优势，是十分理想的下一代锂离子电池正极材料，一直以来该领域都是研究热点。与常规的锂离子电池相比，理论容量为1672 mAh/g的硫作为正极活性物质，并使用理论容量为3860 mAh/g的锂金属作为负极活性物质的锂硫二次电池，具有非常高的能量密度，并且具有制造体积小、重量轻且需求日益增加的二次电池的潜力。以单质硫复合材料作为正极的锂-硫(L1-S) 二次电池更是有望成为高能量密度储能和汽车动力的装置。 在锂硫电池中，锂与硫之间的氧化/还原反应可以表示成下列的反应流程: 2Li+S8 (固体)—Li2S8 (溶液) 2Li+Li2S8 (溶液)一2Li2S4 (溶液) 2Li+Li2S4 (溶液)一2Li2S2 (溶液) 2Li+Li2S2 (溶液)一2Li2S (固体沉淀) 从上述反应流程可以看出，在锂与硫之间的氧化还原反应中生成了新的反应产物，即多硫化锂。已知在上述反应中硫及其放电产物均是电子和离子绝缘体，电子和离子在正极的传输困难，导致室温电化学反应动力学速度很慢，电极内部反应不充分。还原过程产生的多硫化锂易溶于有机电解液溶剂中，导致活性物质的流失。随着充放电周数增加，正极和负极表面会逐渐生成电子绝缘的Li2S沉积层，一方面阻碍电荷传输，另一方面改变了电极/电解质的界面，增大电池内阻，最终导致L1-S 二次电池活性物质利用率低、容量衰减迅速，从而限制了其发展。如何固硫，提高电导率，增加循环稳定性，是锂硫电池研究开发的重要课题。 目前，锂硫电池研究中固硫方法主要有物理法和化学法两种。其中，物理固硫法主要使用各种多孔碳材料作为基体吸附硫元素，来部分地克服上述锂硫电池的缺点，并已取得显著进步。各种多孔碳材料的尺寸、形貌、孔隙度和纹理等特性对S-C复合材料的电化学性能有重要影响。通常认为这些S-C复合物中多孔结构的碳材料基体主要起到了两种作用:有效地吸附硫元素，并抑制多硫化物向有机电解液中的扩散；同时碳框架大大方便了电子传输，从而促进了电极上的氧化还原反应，硫元素的利用率和循环稳定性得以改善。 另外，化学固硫法主要是合成各种有机硫化合物，利用S-C化学键来固硫。有机硫化合物分子中主链为导电高分子骨架，可提高材料的导电性，减少导电剂的用量，进而有利于提高正极的比容量；储能的S-S键作为侧链连接在聚合物骨架上，放电时骨架不发生降解，在有机电解液中的溶解性远小于小分子多硫化物，能够保证正极外形稳定和大部分硫滞留在正极区，循环性能将有所增强。 然而，现有锂硫电池正极及相应的锂硫电池在活性物质利用率和电池循环特性方面尚不能满足商业应用的要求，限制了锂硫电池的大规模应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的电池正极存在的上述问题，提供一种具有良好导电性和很好固硫能力，可提高活性物质硫的利用率，赋予锂硫电池优异的循环性能，且其制备工艺简单易操作的电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用。 所述电池正极设有金属集流体、正极活性物质和黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在金属集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫复合材料、导电剂； 所述碳基材料可选自膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管、介孔碳、空心碳球、氧化石墨烯等中的至少一种，优选膨胀石墨。 所述硫材料可选自升华硫单质(S8), Li2Sn(η彡I)、有机硫化合物、碳硫聚合物((C2Sx)n，其中X的范围为2.5?50，且η彡2)等中的至少一种，优选升华硫单质(S8)。 所述碳基/硫复合材料中按质量百分比，碳基的含量可为20%?50%，硫的含量可为50%?80%。 所述金属集流体的金属可选自Fe、Co、N1、Cu、Zn、Ag、Pt、Au等中的一种元素的单质金属或至少2种元素的合金，优选金属铜或铜合金。 所述黏合剂可采用聚1，1- 二氟乙烯(PVDF)等。 所述导电剂可采用乙炔黑等。 所述电池正极的制备方法，包括以下步骤: I)先制备复合碳基/硫复合材料: 将碳基材料放入水中，超声后得碳基材料分散液；再将硫和硫化钠混合分散在水中，加入表面活性剂TX100，得到黄色多硫化物分散液；将黄色多硫化物分散液加入碳基材料分散液中，再次超声后，加入盐酸，得到碳基-硫化物混合液，在水浴下搅拌，真空抽滤，烘干后再加热处理，得碳基/硫复合材料； 2)电池正极的制备: 将步骤I)制得的碳基/硫复合材料和导电剂混合并研磨得到正极活性物质粉末，再将正极活性物质粉末和黏合剂溶液混合，制备包括黏合剂涂层的正极活性物质粉体浆料，涂布在金属集流体上，干燥除去溶剂后，即得电池正极。 在步骤I)中，所述碳基材料和水的配比可为(25?50)mg:1OOmL,其中，碳基材料以质量计算，水以体积计算；所述水可采用去离子水；所述超声的时间可为5h ；所述硫、硫化钠、水、表面活性剂TX100和盐酸的配比可为(50?75)mg: (50?75)mg: 10mL: 1mL: 10mL，其中，硫和硫化钠以质量计算，水、表面活性剂TX100和盐酸以体积计算；所述水可采用去离子水；所述表面活性剂TX100可采用质量浓度为I %的表面活性剂TX100 ;所述再次超声的时间可为Ih ;所述水浴的温度可为70°C，搅拌的时间可为Ih ；所述烘干的温度可为60°C，所述加热处理的温度可为155°C，加热处理的时间可为4h ;当碳基材料采用膨胀石墨时，膨胀石墨由可膨胀石墨在管式炉中，空气气氛下，800°C下处理1s得到。 在步骤2)中，所述碳基/硫复合材料和导电剂的质量比可为(60?90): (O?30)，其中，导电剂不为O ;所述干燥的条件可于60°C烘箱中真空干燥10?24h ;所述涂布在金属集流体上的厚度可为10?500 μ m。 由于本专利技术所制备的电池正极具有很高的活性物质硫利用率、优异循环性能，因此所述电池正极可在制备锂硫电池中应用。 所述锂硫电池包括池体、负极、隔膜、电解液和所述电池正极；负极、隔膜和所述电池正极设在池体内，所述负极包括负极活性物质，所述负极活性物质选自锂嵌入的材料、锂合金材料和锂金属中的一种；隔膜设在负极与所述电池正极之间，池体内注入电解液。 锂硫电池正负极之间的电解液主要起着通过传导锂离子来传输电荷的作用。电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
电池正极，其特征在于设有金属集流体、正极活性物质和黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在金属集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫复合材料、导电剂。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵金保，张义永，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35