一种含硫电极材料的制备方法技术

本发明专利技术属于锂硫电池领域，尤其涉及一种含硫电极材料的制备方法，包括：含硫液态组分的配制、含硫组分的填充和含硫电极材料制备三个步骤；首先将含硫组分高温溶化，得到可流动性的液态组分；在通过雾化器将液态含硫组分雾化成细小雾状液粒，之后细小雾状液粒与多孔基材接触，使得雾状颗粒均匀的分散于每个多孔基材表面，进而渗透浸润孔结构中；从而实现含硫组分对每个多孔基材颗粒的均匀、充分填充，之后冷却固化，即得到含硫电极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂硫电池领域，尤其涉及。
技术介绍
自从1991年，碳材料创造性的运用于锂离子电池领域，并带来该领域革命性的变 化，即高效而安全的进行多次充放电后，其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电 脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-Cd、MH-Ni电池相比，锂离子电池具有更高的 比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命 等，是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。 然而随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更轻、更薄、更小、更持久、价 格更低的新需求，相应的便对这些设备的供电器件提出了新的要求；能量密度更高、价格便 宜；这其中供电器件（电池）能量密度与用户体验息息相关，备受广大消费者的关注，而现 阶段提高电池能量密度的方法主要集中在开发新的正/负极材料，开发新型的正极材料对 电池能量密度提升效果尤为显著。 目前商品化的正极材料主要是层状或尖晶石结构的锂过渡金属氧化物（如钴酸 锂、锰酸锂）和橄榄石结构的磷酸铁锂等。钴酸锂（LiC〇02)的理论容量相对较大（275mAh/ g)，但实际放电容量仅160mAh/g左右，且其价格高，有一定毒性，而且该正极材料在过充 时易发生放热分解反应，不仅使电池容量明显下降，同时对电池安全也造成威胁。锰酸锂 (LiMn204)的理论容量为148mAh/g，实际容量低于130mAh/g，且其压实密度不高，能量密度 低，稳定性差，在充放电过程中容易引起晶格变形，导致循环效率偏低。磷酸铁锂（LiFeP04) 的理论容量为172mAh/g，但该正极材料压实密度低，制备出来的电芯能量密度相应较小。 上述常用锂离子电池正极材料容量普遍不高，同时也均存在一些问题，不能满足电池开发 需求。 单质硫的理论比容量为1675mAh/g，远远高于目前商业使用的正极材料的理论比 容量，成为当前电池发展的主要趋势。但是单质硫本身并不导电，必须与导电物质复合才能 做成电极，而由于作为导电组分的导电剂的引入，会导致正极涂层中硫的含量有较大幅度 的降低，从而降低了锂硫电池的能量密度；同时锂硫电池在充放电过程中，单质硫会转化为 多硫化物，而多硫化物会溶于液体有机电解液中，导致在循环过程中活性物质的损失，更为 严重的是，溶解的硫化物将在负极析出形成枝晶，具有极大的刺穿隔离膜的风险，从而导致 电池的安全性极差。 有鉴于此，确有必要开发出一种新的含硫电极材料的其制备方法，其不仅能够提 高硫在正极材料中的比例，还能得到对锂硫化物具有更强吸附能力的正极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供， 包括：含硫液态组分的配制、含硫组分的填充和含硫电极材料制备三个步骤；首先将含硫 组分高温溶化，得到可流动性的液态组分；在通过雾化器将液态含硫组分雾化成细小雾状 液粒，之后细小雾状液粒与多孔基材接触，使得雾状颗粒均匀的分散于每个多孔基材表面， 进而渗透浸润孔结构中；从而实现含硫组分对每个多孔基材颗粒的均匀、充分填充，之后冷 却固化，即得到含硫电极材料。 为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案： ，主要包括如下步骤： 步骤1，含硫液态组分的配制：在惰性环境中，在雾化反应器中控制温度大于或等 于含硫组分的熔点，将含硫组分液化得到液态含硫组分待用；液态含硫组分能够流动，便于 后续进行雾化操作； 步骤2,含硫组分的填充：，将步骤1得到的液态含硫组分雾化，之后雾状含硫组分 与多孔基材充分接触、混合，并且雾状含硫组分渗透进入多孔基材的孔结构之中，从而得到 填充了含硫组分的多孔复合物；细小的雾状颗粒具有纳米硫颗粒相似的性质，能够更加容 易的填充进入多孔基材的孔结构中；而且含硫组分雾化后再与基材进行混合，可以避免含 硫组分本身团聚导致其在基材颗粒之间不均匀填充的状况的出现，因此更有利于含硫组分 对基材孔结构的均匀、紧密填充，制备出来的材料具有更好的一致性； 步骤3,含硫电极材料制备：将步骤2得到的复合物冷却至硫的熔点之下，即得到 含硫电极材料。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，步骤1中温度控制为110°C~ 450°C ;步骤2雾化后，雾状颗粒的粒径为0. lnm~5μπι，雾化反应器内保持的温度为 110°C~450°C ;雾化颗粒越小，含硫组分本身团聚可能性越低，越有利于均匀填充；而在 110 °C~450 °C温度范围内，最重要的含硫组分单质硫为液体状态。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，步骤1中所述含硫组分包括硫单 质、硫基化合物和硫复合物中的至少一种。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，所述硫单质包括升华硫和/或高 纯硫；所述硫基化合物包括有机硫化物、Li2Sn和碳硫聚合物（C2S V)"中的至少一种，其中， η多;所述硫复合物包括硫/碳复合物、硫/导电聚合物复合物和硫/ 无机氧化物中的至少一种，所述导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等，无机氧化 物包括氧化铝、氧化硅、氧化锆等。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，步骤2所述的多孔基材为多孔 碳材料、官能化多孔碳材料、金属多孔材料、官能化金属多孔材料中的至少一种；多孔基材 的粒径为5nm~200 μ m，孔直径为0· 2nm~2 μ m，孔隙率为30 %~98 %;基材颗粒过大，制 备出来的材料锂离子从表层扩散进入颗粒内部的扩散距离较大，材料的倍率性能较差，基 材颗粒过小，不利于提高涂层的堆积密度；孔直径过小，硫分子无法填充进入孔结构中，孔 直径过大，孔对锂硫化合物的吸附作用降低。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，步骤1中，液态含硫组分中还含 有表面活性剂，或/和步骤2所述的多孔基材经过表面活性剂处理。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，在步骤2中，在雾化后的液态含 硫组分向多孔基材渗透的过程中，对多孔基材进行搅拌、施加超声波处理、加正压操作。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，在步骤2的雾化前，对多孔基材 进行负压预处理，排除多孔结构中的气体组分，所述负压的气压小于或等于3KPa。 作为本专利技术含硫电极材料制备方法的一种改进，步骤2中的含硫组分的填充过程 分为多步填充；所述多步填充即将需要填充的含硫组分分为η份，通过雾化第一份一渗透 进入孔结构中一第一份含硫组分压实、冷却固化一雾化第二份一……一第η份含硫组分冷 却固化后得到成品电极材料；将需要填充的含硫组分分多次进行填充，可以达到填充一压 实一再填充的过程（压实过程即填充后处理过程，在含硫组分填充进入多孔材料后、但仍 然为液态/气态时，施加大于1个大气压的气压，将含硫组分压入孔结构的深处），从而使得 多孔材料的孔洞被完全填充，制备得到含硫组分比例较高的含硫电极材料。而且，通过高真 空、较长时间处理后，再分步填充含硫组分，填充物可以进入基材孔结构的最深处，而孔结 构的最深处对锂硫化合物具有更强的吸附能力，因此制备出来的电池性能更佳。 本专利技术还包括一种含硫电极材料，该电极材料由多孔基材及填充于多孔基材中的 含硫组分组成，所述含硫组分的质量占整个电极材料的质量的比例为30%~98%。 本专利技术的有益效果在于：首先将含硫组分高温溶化，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含硫电极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤1，含硫液态组分的配制：在惰性环境中，在雾化反应器中控制温度大于或等于含硫组分的熔点，将含硫组分液化得到液态含硫组分待用；步骤2，含硫组分的填充：将步骤1得到的液态含硫组分雾化，之后雾状含硫组分与多孔基材充分接触、混合，并且雾状含硫组分渗透进入多孔基材的孔结构之中，从而得到填充了含硫组分的多孔复合物；步骤3，含硫电极材料制备：将步骤2得到的复合物冷却至硫的熔点之下，即得到含硫电极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉洁，
申请(专利权)人：广东烛光新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44