多层结构硫化锂/碳电极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多层结构硫化锂/碳电极材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供至少含有锂化合物的第一液相体系和至少含有碳源的第二液相体系，或者，提供含有锂化合物和碳源的第三液相体系；将第一及第二液相体系或者第三液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层；以及，对该复数材料层进行热处理而形成硫化锂/碳电极材料。本发明专利技术的硫化锂/碳电极材料的导电性能较之现有电极材料有大幅提升，能实现对单位面积活性材料担载量的调控，且多层结构的厚度可随实际需求任意调整，还能自由实现每一层化学组分的控制，进而能很好抑制多硫化物的穿梭，大大提高活性材料的利用率，同时工艺流程简单，适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极材料，特别是一种多层结构硫化锂/碳电极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
硫化锂由于其高的理论比容量(1166mAh/g)，越来越受到学术界、产业界和各国政府的极大关注。但由于硫化锂导电性差，组装成电池后利用率低，因而需要在其表面均匀包覆一层碳材料形成硫化锂/碳复合材料，从而提高其电化学储能性能。尽管当前研究人员设计了多种硫化锂@碳复合材料纳米结构，但该类材料的制备都采用混合涂浆的方法，即，通过混合活性材料、导电剂以及粘结剂形成料浆，再将其涂覆在集流体上而形成电极片，其厚度有限，导致活性材料单位面积担载量达不到实际应用的需求。多层结构的电极由于其独特的几何构造而具有快速传导离子、电子的优势，能够满足电池的快速充放电需求；并且通过对此类电极的层数等参数的控制，可实现最大化活性材料的单位面积担载量的条件下保持同等的电化学性能。但是当前对于多层电极材料的报道较少。例如，Manthiram等制备出具有多层结构的硫/多孔碳纤维(AdvancedMaterials,2015,27,1694-1700)，该材料的硫单位面积担载量较高，其中多孔碳纤维层在锂硫电池的应用中能有效阻止多硫化物的穿梭，因而电化学性能优异。但是该材料中是通过真空抽滤的方法形成碳膜，再通过还原热处理方法造孔，最终形成多孔碳纤维膜，工艺流程复杂，不适合大规模生产。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种多层结构硫化锂/碳电极材料及其制备方法与应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术的一些实施例中提供了一种多层结构硫化锂/碳电极材料，其包括层叠设置的复数结构层，其中至少一结构层含有硫化锂，至少另一结构层含有碳。在一些实施例中，至少一结构层含有硫化锂和碳；和/或，至少一结构层为碳材料层。在一些实施例中还提供了一种多层结构硫化锂/碳电极材料的制备方法，其包括：提供至少含有锂化合物的第一液相体系和至少含有碳源的第二液相体系，或者，提供含有锂化合物和碳源的第三液相体系；将第一液相体系和第二液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层，或者，将第三液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层；以及，对该复数材料层进行热处理而形成所述硫化锂/碳电极材料。在一些实施例中还提供了所述多层结构硫化锂/碳电极材料的用途。例如，在一些实施例中提供了一种装置，其包含所述的多层结构硫化锂/碳电极材料。本专利技术通过超声喷雾、喷雾打印等技术将硫化锂前驱体与碳前驱体均匀混合，随后热解形成硫化锂/碳复合材料，由于碳均匀包覆在硫化锂表面，大大提高电极材料的导电性能，因而该复合材料导电性要远远高于当前料浆法制备出的电极材料，实现对单位面积活性材料担载量的调控，且该多层结构的厚度可随实际需求任意调整，另外该多层结构的设计可以自由实现每一层化学组分的控制。该具有多层结构的硫化锂电极能够很好抑制地多硫化物的穿梭，大大提高活性材料的利用率，同时本专利技术制备工艺简单，适于规模化生产。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案之中一种多层结构硫化锂/碳电极材料的制备工艺原理图；图2是实施例1制备的Li2SO4/GO复合材料(a)以及煅烧后的Li2S/C复合材料(b)的XRD图；图3是实施例1制备的Li2S/C复合材料的电池性能测试图。具体实施方式本专利技术的一个方面提供了一种多层结构硫化锂/碳电极材料，其包括层叠设置的复数结构层，其中至少一结构层含有硫化锂，至少另一结构层含有碳。在一些实施例中，所述结构层的厚度为50nm～500μm，优选为500nm～200μm，尤其优选为50μm左右。在一些实施例中，至少一结构层含有硫化锂和碳。在一些实施例中，至少一结构层为碳材料层，在一些实施例中，所述结构层中硫化锂的含量为20wt％～90wt％，优选为40wt％～80wt％，尤其优选为50wt％～60wt％。在一些实施例中，所述结构层所含的碳至少来源于碳化合物和碳单质中的任意一种以上。其中，所述结构层所含的碳至少选自无定型碳、碳纳米管、石墨烯。在一些实施例中，所述电极材料的厚度为50nm～500μm。本专利技术的一个方面提供了一种多层结构硫化锂/碳电极材料的制备方法，其包括：提供至少含有锂化合物的第一液相体系和至少含有碳源的第二液相体系；将第一液相体系和第二液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层；以及，对该复数材料层进行热处理而形成所述硫化锂/碳电极材料。或者，本专利技术的一个方面提供了一种多层结构硫化锂/碳电极材料的制备方法，其包括：提供含有锂化合物和碳源的第三液相体系；将第三液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层；以及，对该复数材料层进行热处理而形成所述硫化锂/碳电极材料。其中，一种较为典型的实施方案的原理可参考图1，其中，多层结构的前驱物A经过热处理制备出具有不同多层结构的硫化锂/碳多层纳米复合材料B、C，其中前驱物A中的碳(C)代表不同碳源。其中d所示厚度为50nm～500μm。在一些实施例中，所述第一液相体系或第三液相体系优选包含10wt％～50wt％锂化合物。在一些实施例中，所述第一液相体系或第三液相体系优选包含10wt％～40wt％、10wt％～20wt％或20wt％～40wt％锂化合物。在一些实施例中，所述第一液相体系还含有碳源。在一些实施例中，所述第一液相体系或第三液相体系还优选含有10wt％～60wt％碳源。在一些实施例中，所述锂化合物至少选自锂盐，例如可溶性锂盐(例如Li2SO4·H2O)或多硫化物等，但不限于此。在一些实施例中，所述碳源至少选自碳化合物和碳单质。进一步的，所述碳化合物至少选自聚合物材料、糖等，例如聚丙烯腈、葡萄糖等，但不限于此。进一步的，所述碳单质至少选自氧化石墨烯、碳纳米管等，但不限于此。在一些实施例中，所述第二液相体系包含10wt％～40wt％碳源。在一些实施例中，所述第一液相体系或第二液相体系中采用的溶剂选自水、有机溶剂。在一些实施例中，所述制备方法包括：交替将第一液相体系和第二液相体系施加到基材上形成层叠设置的复数材料层。在一些实施例中，所述制备方法包括：至少采用印刷或超声喷雾方式将第一液相体系和第二液相体系施加到基材上形成层叠设置的复数材料层。在一些较佳实施例中，所述制备方法包括：将该复数材料层以1～10℃/min的升温速率加热至100～350℃，并在空气气氛下恒温2～4h，之后自然冷却至室温，再以1～10℃/min的升温速率加热至700～900℃，在惰性气氛下恒温3～6h，之后自然冷却至室温，形成所述硫化锂/碳电极材料。在一些更为具体的实施例中，所述制备方法可以包括：将锂盐溶解于相应的溶剂中，如Li2SO4·H2O溶于去离子水，形成透明溶液。将碳源也分散到相应的溶剂中，如GO分散到去离子水中，形成均匀分散的悬浮液。将配制好的锂盐溶液以及碳源分散液分别加入超声喷雾的2个喷桶内，进行雾化喷雾，得到具有多层结构的锂盐/碳源复合材料，再将所述的复合材料进行热处理，升温速率为1～10℃/min，在空气气氛下350℃恒温2～4h左右，之后自然冷却至室温，随即对样品进行热处理，升温速率为1～10℃/min，在氩气气氛本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层结构硫化锂/碳电极材料，其特征在于包括层叠设置的复数结构层，其中至少一结构层含有硫化锂，至少另一结构层含有碳。

【技术特征摘要】
1.一种多层结构硫化锂/碳电极材料，其特征在于包括层叠设置的复数结构层，其中至少一结构层含有硫化锂，至少另一结构层含有碳。2.根据权利要求1所述的多层结构硫化锂/碳电极材料，其特征在于：至少一结构层含有硫化锂和碳；和/或，至少一结构层为碳材料层。3.根据权利要求1或2所述的多层结构硫化锂/碳电极材料，其特征在于：所述结构层的厚度为50nm～500μm，优选为500nm～200μm；和/或，所述结构层中硫化锂的含量为20wt％～90wt％，优选为40wt％～80wt％，尤其优选为50wt％～60wt％。4.根据权利要求2所述的多层结构硫化锂/碳电极材料，其特征在于所述结构层所含的碳至少选自无定型碳、碳纳米管、石墨烯。5.一种多层结构硫化锂/碳电极材料的制备方法，其特征在于包括：提供至少含有锂化合物的第一液相体系和至少含有碳源的第二液相体系，或者，提供含有锂化合物和碳源的第三液相体系；将第一液相体系和第二液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层，或者，将第三液相体系以微液滴形式施加到基材上形成层叠设置的复数材料层；以及，对该复数材料层进行热处理而形成所述硫化锂/碳电极材料。6.根据权利要求5所述多层结构硫化锂/碳电极材料的制备方法，其特征在于：所述第一液相体系或第三液相体系包含10wt％～50wt％锂化合物；优选的，所述第一液相体系或第三液相体系包含10wt％～40wt％、10wt％～20wt％或20wt％～40wt％锂化合物；进一步优选的，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃钢，刘美男，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32