锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池技术

本发明专利技术公开一种锂硫电池正极材料的制备方法，涉及锂硫电池技术领域。其包括以下步骤：S1、棉花的浸渍：将棉花浸泡在含氯化锌的盐酸溶液中密封保温，之后去除多余溶液，对混合物干燥并保温处理，得到灰色或棕色固体；S2、多孔碳基质的制备：对所述固体依次进行碳化处理和酸化处理，之后洗涤、干燥及煅烧，得到多孔碳基质；S3、碳‑硫复合材料的制备：将所述多孔碳基质与单质硫共热合成锂硫电池正极材料。同时，本发明专利技术还公开了采用上述制备方法制备而成的锂硫电池正极材料及锂硫电池。相对于现有技术，采用本发明专利技术的方法获得的锂硫电池正极材料具有高载硫量、高容量及良好的循环性能，且工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂硫电池
，尤其涉及一种锂硫电池正极材料、其制备方法及包含上述锂硫电池正极材料的锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池是一种以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。锂硫电池的比能量理论上可达到2600Wh/Kg，远大于现阶段所使用的任何商业化二次电池。除了具有能量密度高的优点，锂硫电池还具有环境污染小和安全性能好等优点，而且其正极材料单质硫还具有来源丰富、价格低廉等优点。因此，锂硫电池在新能源领域中将具有广阔的应用前景。但是，目前锂硫电池尚存在一些问题，严重阻碍了锂硫电池的实际应用。具体说来，锂硫电池还存在以下问题：第一，单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(电导率仅5.0×10-30S·cm-1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；第二，锂硫电池的中间放电产物多硫化锂会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性。多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失库伦效率下降，另外由于沉积的反应产物的绝缘性，进一步导致电池性能衰减。第三，锂硫电池的最终放电产物Li2Sn(n＝1-2)电子绝缘且不溶于电解液，沉积在导电骨架的表面，部分硫化锂脱离导电骨架，无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化物，造成了容量的极大衰减。第四，硫和硫化锂的密度分别为2.36g·cm-3和1.66g·cm-3，在充放电过程中有高达42％的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减。针对以上问题，目前主要的解决方法是正极材料、电解液和阻隔层三个方面入手。因为硫和反应产物的绝缘性，使得硫与其他多孔碳材料的复合显的尤为重要，以解决硫的不导电和体积膨胀问题。但是，采用现有技术中的方法制备的锂硫正极材料，由于采用的多孔碳基质比表面积较低、孔容较小，因此，载硫量不高，电池容量不高，且制备方法繁琐，成本较高，不能满足实际的需要。综上所述，急需提供一种锂硫电池正极材料的制备方法、采用该制备方法制备的锂硫电池正极材料及锂硫电池，具有高载硫量、高容量及良好的循环性能，且工艺简单，成本低。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种工艺简单、成本低的锂硫电池正极材料的制备方法，采用该制备方法制备的锂硫电池正极材料具有高硫量、高容量及良好的循环性能。本专利技术提供一种采用上述制备方法制备的锂硫电池正极材料，该锂硫电池正极材料具有高硫量、高容量及良好的循环性能。本专利技术还提供一种包含上述锂硫电池正极材料的锂硫电池，该锂硫电池具有良好的比能量和循环性能，降低电池容量衰减的速度。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种锂硫电池正极材料的制备方法，其包括以下步骤：S1、棉花的浸渍：将棉花浸泡在含氯化锌的盐酸溶液中密封保温，之后去除多余溶液，对混合物干燥并保温处理，得到灰色或棕色固体；S2、多孔碳基质的制备：对所述固体依次进行碳化处理和酸化处理，之后洗涤、干燥及煅烧，得到多孔碳基质；S3、碳-硫复合材料的制备：将所述多孔碳基质与单质硫共热合成锂硫电池正极材料。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S1中的氯化锌的质量分数为10％-50％，盐酸的浓度为0.1mol/L-0.4mol/L；优选的，所述步骤S1中的氯化锌的质量分数为30％，盐酸的浓度为0.2mol/L。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S1中的密封保温的温度为20-100℃，密封保温的时间为10-24h；去除溶液后，混合物的重量为棉花质量的10-18倍；干燥的温度为80-120℃，干燥的时间为1-5h；保温的温度为40-100℃，保温的时间为5-50d；优选的，所述步骤S1中的密封保温的温度为70℃，密封保温的时间为12h；去除溶液后，混合物的重量为棉花质量的15倍；干燥的温度为100℃，干燥的时间为2h；保温的温度为65℃，保温的时间为35d。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S2中的碳化处理的温度为450-850℃，碳化处理的时间为30min-10h；优选的，所述步骤S2中的碳化处理的温度为550℃，碳化处理的时间为1h。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S2中的酸化处理采用的酸溶液为浓度为0.2mol/L-5mol/L的盐酸，酸化处理的温度为50-110℃，酸化处理的时间为0.5-5h；优选的，所述步骤S2中的酸化处理采用的酸溶液为浓度为0.5mol/L的盐酸，酸化处理的温度为100℃，酸化处理的时间为2h。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S2中的干燥的温度为80-120℃，干燥的时间为2-10h；所述步骤S2中的煅烧的温度为800-1100℃，煅烧的时间为0.5-5h；优选的，所述步骤S2中的干燥的温度为80℃，干燥的时间为4h；所述步骤S2中的煅烧的温度为1000℃，煅烧的时间为1.5h。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S3中的多孔碳基质与单质硫的质量比为1:1-1:4；优选的，所述步骤S3中的多孔碳基质与单质硫的质量比为1:3。作为本专利技术锂硫电池正极材料的制备方法的一种改进，所述步骤S3中的加热的温度为155℃，加热的时间为5-36h；优选的，所述步骤S3中的加热的温度为155℃，加热的时间为10h。一种锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料采用如上述的锂硫电池正极材料的制备方法制备而成。一种锂硫电池，所述锂硫电池包含有如上述的锂硫电池正极材料。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，采用本专利技术的方法制备的多孔碳基质的孔径尺寸较小(小于10nm)，且大小均匀，能够充分抑制多硫化锂的溶解，孔容较大(大于2.5cm3·g-1)，能够容纳更多的活性硫，比表面积较大，利于锂离子的扩散和电解液的浸润。此外，采用该方法制备多孔碳材料，方法简单易行，成本低，适宜大规模的生产。另外，采用本专利技术的方法获得的锂硫电池正极材料碳-硫复合物不仅具有含活性硫高的特点，使得包含采用本专利技术的方法制备的硫-碳复合物的锂硫电池具有较好的比能量，而且较多较小的内孔能够有效地抑制多硫化锂的溶解，从而抑制电极的活性物质逐渐减少的现象的发生，还能抑制由于穿梭原理导致的溶解的多硫化锂穿过隔膜到达电池的负极锂片上引起的负极腐蚀和电池内阻的增加的现象发生，进而提高锂硫电池的循环性能，降低电池容量衰减的速度。通过实践表明，74.5％硫含量的复合物的锂硫电池在0.5C倍率下且在2.6V-1.7V的电压范围内首次放电比容量为700mAh/g-950mAh/g，较高硫含量时，能发挥出较大的比容量，循环充放电50次后，放电比容量为450mAh/g-650mAh/g，库伦效率较稳定接近100％，因而，具有较好的循环性能。附图说明图1为本专利技术的一种锂硫电池正极材料的制备方法的流程示意图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、棉花的浸渍：将棉花浸泡在含氯化锌的盐酸溶液中密封保温，之后去除多余溶液，对混合物干燥并保温处理，得到灰色或棕色固体；S2、多孔碳基质的制备：对所述固体依次进行碳化处理和酸化处理，之后洗涤、干燥及煅烧，得到多孔碳基质；S3、碳‑硫复合材料的制备：将所述多孔碳基质与单质硫共热合成锂硫电池正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、棉花的浸渍：将棉花浸泡在含氯化锌的盐酸溶液中密封保温，之后去除多余溶液，对混合物干燥并保温处理，得到灰色或棕色固体；S2、多孔碳基质的制备：对所述固体依次进行碳化处理和酸化处理，之后洗涤、干燥及煅烧，得到多孔碳基质；S3、碳-硫复合材料的制备：将所述多孔碳基质与单质硫共热合成锂硫电池正极材料。2.如权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的氯化锌的质量分数为10％-50％，盐酸的浓度为0.1mol/L-0.4mol/L；优选的，所述步骤S1中的氯化锌的质量分数为30％，盐酸的浓度为0.2mol/L。3.如权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的密封保温的温度为20-100℃，密封保温的时间为10-24h；去除溶液后，混合物的重量为棉花质量的10-18倍；干燥的温度为80-120℃，干燥的时间为1-5h；保温的温度为40-100℃，保温的时间为5-50d；优选的，所述步骤S1中的密封保温的温度为70℃，密封保温的时间为12h；去除溶液后，混合物的重量为棉花质量的15倍；干燥的温度为100℃，干燥的时间为2h；保温的温度为65℃，保温的时间为35d。4.如权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的碳化处理的温度为450-850℃，碳化处理的时间为30min-10h；优选的，所述步骤S2中的碳化处理的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：武俊伟，崔彦辉，安德鲁·贝克，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44