一种电池正极及其制备方法与应用技术

一种电池正极及其制备方法与应用，涉及锂离子电池。电池正极设有金属集流体、正极活性物质、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/铜复合材料、导电剂，金属集流体为Cu集流体或Cu合金集流体。将硫源加在溶剂中溶解，再加入碳源，超声处理后真空抽滤，再烘干后得到碳基/硫复合材料；然后用化学镀铜活化液活化碳基/硫复合材料，在化学镀铜铜源溶液中施镀，真空抽滤、烘干后得碳基/硫/铜复合材料,再与导电剂混合并研磨得正极活性物质粉末，并与黏合剂溶液混合，得正极活性物质粉体浆料，然后涂布在金属集流体上，所得正极极片干燥后除去溶剂即得电池正极。所述电池正极可在制备锂流电池中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种电池正极及其制备方法与应用
本专利技术涉及锂离子电池，尤其是涉及一种电池正极及其制备方法与在制备锂硫电池中的应用。
技术介绍
锂离子电池是一种高能量密度、高效率的电能存储装置，已被广泛应用于小型可移动电子设备。与其他电池体系一样，锂离子电池主要有正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大关键材料构成，材料的性质与锂离子电池的性能有着非常重要的关系。目前，锂离子电池广泛使用的正极材料主要为能可逆地嵌入-脱嵌锂离子的过渡金属氧化物，如以钴酸锂(LiCoO2)、三元材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)等为代表的层状金属氧化物、以锰酸锂(LiMn2O4)为代表的尖晶石型金属氧化物、以磷酸铁锂(LiFePO4)为代表的橄榄石型金属氧化物等。负极材料为能可逆地嵌入-脱嵌锂离子的化合物，如层状石墨。这些高性能材料的应用，决定了锂离子电池今天作为小型携带式通信电子设备(如手机、手提式电脑等)的电源的不可撼动地位。但随着社会的进一步发展(如电动汽车在动力源方面的要求)，现有的锂离子电池体系在价格、安全性、比容量和功率性能、原材料的富足等方面都还有待提高。开发更高性能的材料和与之对应的锂离子电池极为重要。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1672mAh/g的硫作为正极活性物质，并使用理论容量为3860mAh/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(Li-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)→2Li2S4(溶液)2Li+Li2S4(溶液)→2Li2S2(溶液)2Li+Li2S2(溶液)→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Li-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缺点，并已取得显着进步。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。但现有技术一般用熔融法制备碳/硫复合材料，这种方法一般选用固相混合硫和碳源，然后在硫熔融点155℃加热5h以上，但此种方法制备时硫易升华而浪费硫源，且碳/硫复合材料循环性能也有待改善。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。中国专利CN101958414A公开一种锂硫电池正极的制备方法，包括如下步骤：1)金属薄片的预处理：将表面平整的金属薄片裁剪成圆片，用吸有丙酮的棉球，然后用蒸馏水超声清洗，取出后晾干；2)硫碳复合材料的制备：将处理后的金属薄片放入溅射装置的腔体中，溅射气体将二硫化碳蒸气携带至腔体内，溅射气体形成等离子体，溅射气体溅射高纯石墨靶，在预处理后的金属薄片上沉积碳膜，二硫化碳蒸气在溅射气体形成的等离子体中被分解，生成的硫及硫碳基团沉积在碳膜中，实现掺硫；沉积制得硫碳复合材料，沉积有该硫碳复合材料的金属薄片即为锂硫电池正极。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供具有良好导电性和很好固硫能力，活性物质硫利用率较高，比容量和循环性能较好的一种电池正极及其制备方法。本专利技术的第二目的在于提供所述电池正极在制备锂硫电池中的应用。所述电池正极设有金属集流体、正极活性物质、黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫/铜复合材料、导电剂，所述金属集流体为Cu集流体或Cu合金集流体。所述碳基材料包括多壁碳纳米管、石墨、膨胀石墨、石墨烯和乙炔黑等中的至少一种，优选多壁碳纳米管(CNT)等，因为碳纳米管是一维材料、导电性好和能形成网状结构，能更好地物理固硫，且更易形成均匀的包覆，复合材料的循环性能较好。所述导电剂可采用乙炔黑等。所述黏合剂可采用聚1,1-二氟乙烯(PVDF)等。所述电池正极的制备方法，包括以下步骤：1)碳基/硫/铜复合材料的制备将硫源加在溶剂中溶解，再加入碳源，超声处理后真空抽滤，再烘干后得到碳基/硫复合材料；然后用化学镀铜活化液活化碳基/硫复合材料，在化学镀铜铜源溶液中施镀，真空抽滤、烘干后即得碳基/硫/铜复合材料；2)电池正极的制备将步骤1)中，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，得正极活性物质粉体浆料，再将正极活性物质粉体浆料涂布在金属集流体上，所得正极极片干燥后除去溶剂，即得电池正极。在步骤1)中，所述溶剂可选自二甲亚砜、四氢呋喃、二硫化碳、四氯化碳、苯等中的至少一种，优选二甲亚砜，因为二甲亚砜低毒、不易挥发和安全，较易操作；所述二甲亚砜的分散溶液的浓度可为1g/10mL；按质量比，碳∶硫可为1∶(1～3)，优选碳∶硫为1∶3；所述超声的条件可为：用超声细胞粉碎仪，70％W，超声5s，停1s，超声的总时间为5h；所述铜源可采用化学镀铜的方法均匀加入，加入的具体方法如下：a)将碳基/硫复合材料加入20g/LSnCl2和20mL/LHCl混合敏化液中，煮沸15min，抽滤、真空烘干，碳基/硫复合材料的加入量按20g/LSnCl2和20mL/LHCl混合敏化液计算为20g/L；b)将步骤a)中敏化后的碳基/硫复合材料加入0.5g/LPdCl2和20mL/LHCl混合活化液中，煮沸15min，抽滤、真空烘干，敏化后的碳基/硫复合材料的加入量按0.5g/LPdCl2和20mL/LHCl混合活化液计算为20g/L；c)将步骤b)中活化后的碳基/硫复合材料加入还原液中，70℃处理，抽滤、真空烘干，得到碳基/硫/铜复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池正极，其特征在于设有金属集流体、正极活性物质、黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫/铜复合材料、导电剂，所述金属集流体为Cu集流体或Cu合金集流体。

【技术特征摘要】
1.一种电池正极的制备方法，其特征在于所述电池正极，设有金属集流体、正极活性物质、黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫/铜复合材料、导电剂，所述金属集流体为Cu集流体或Cu合金集流体；碳基材料包括多壁碳纳米管、石墨、膨胀石墨、石墨烯和乙炔黑中的至少一种；所述导电剂采用乙炔黑；所述黏合剂采用聚1,1-二氟乙烯；所述制备方法，包括以下步骤：1)碳基/硫/铜复合材料的制备将硫源加在溶剂中溶解，再加入碳源，超声处理后真空抽滤，再烘干后得到碳基/硫复合材料；然后用化学镀铜活化液活化碳基/硫复合材料，在化学镀铜铜源溶液中施镀，真空抽滤、烘干后即得碳基/硫/铜复合材料；按质量比，碳∶硫为1∶(1～3)；所述铜源采用化学镀铜的方法均匀加入，加入的具体方法如下：a)将碳基/硫复合材料加入20g/LSnCl2和20mL/LHCl混合敏化液中，煮沸15min，抽滤、真空烘干，碳基/硫复合材料的加入量按20g/LSnCl2和20mL/LHCl混合敏化液计算为20g/L；b)将步骤a)中敏化后的碳基/硫复合材料加入0.5g/LPdCl2和20mL/LHCl混合活化液中，煮沸15min，抽滤、真空烘干，敏化后的碳基/硫复合材料的加入量按0.5g/LPdCl2和20mL/LHCl混合活化液计算为20g/L；c)将步骤b)中活化后的碳基/硫复合材料加入还原液中，70℃处理，抽滤、真空烘干，得到碳基/硫/铜复合材料；所述还原液...

【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