一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，按一定比例称量碳原料与硫原料，研磨使二者混合均匀，并将混合后的原料进行压制成形，在惰性气氛中，利用微波/光波等能量进行超快速制备硫碳复合正极材料。本发明专利技术碳硫复合正极材料制备方法的显著优点在于超快速、低能耗、可规模化。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法
本专利技术属于锂硫电池正极材料
，具体涉及一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法。
技术介绍
锂硫电池作为一种新型电化学储能技术，其硫电极的理论容量为1672mAh/g，是目前锂离子电池正极材料的5倍，且硫单质毒性小和储量丰富，因此锂硫电池在储能领域有着非常诱人的发展前景。但是锂硫电池存在两个主要缺点：(1)硫正极的导电性差；(2)放电中间产物多硫化锂会发生“穿梭”效应，导致锂硫电池充放电电流小，循环寿命差等问题。为解决上述问题，研究人员一般在硫电极中加入密度低、导电性好的碳材料以形成良好的导电网络，同时起到限制多硫化锂的迁移，即采用硫碳复合的方法制备硫电极来解决上述问题。目前制备硫碳复合电极的方法主要有直接加热熔化、密闭高温处理、原位化学生成等，这些方法耗能耗时，效率低，或者需要用到溶剂给后处理带来麻烦，不利于大规模推广应用。因此，开发一种快速、低能耗、可规模化制备硫碳复合电极材料的方法是锂硫电池向产业化发展的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，具有速度快、能耗低以及可规模化的特点。本专利技术采用以下技术方案：一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，将碳原料与硫原料研磨并混合均匀制成混合料，然后将混合料压制成型，在惰性气氛中利用微波/光波将压制成型的混合料制备成硫碳复合正极材料。具体的，混合料中硫原料的质量百分比小于90％。进一步的，碳原料为导电碳、多孔碳、空心碳球、碳纳米管、碳纤维、石墨烯以及采用B、P、N、S中一种或多种元素对上述碳材料进行掺杂的碳，或上述碳材料的组合；硫原料为单质硫或受热可分解为单质硫的化合物。进一步的，石墨烯为热剥离石墨烯、机械剥离石墨烯、液相剥离石墨烯、CVD石墨烯、外延生长的石墨烯、高温碳化石墨烯、三维多孔石墨烯、二维多孔石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯中的一种或多种组合。具体的，压制成型的混合料形状为棒状、片状、块状和球团状中的一种，表观密度不大于1.6g/cm3。具体的，将压制成型后的混合料置于反应容器中，设置反应容器中的惰性气氛为氩气、氮气、氦气中的一种或多种，分压为0.5～5atm。进一步的，每100mg的原料片层，微波反应器的功率为100～5000瓦，反应时间为1～600s。具体的，所述方法制备的硫碳复合正极材料的硫含量为20～80％。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，将碳原料与硫原料研磨并混合均匀制成混合料，然后将混合料压制成型，最后在惰性气氛中，利用微波/光波将压制成型的混合料制备成硫碳复合正极材料，硫碳电极制备方法简单巧妙，硫碳复合程度高，并且提高了制备效率、节能环保、易规模化。进一步的，本专利技术利用了碳材料可以迅速吸收微波等能量并在极端时间使碳材料升至高温，使硫粉迅疾熔融或者升华、气化，促使硫和碳粉在机械研磨混合后进一步在更小尺度上充分复合，方法巧妙简单，复合程度更高。进一步的，反应前将原料压制成形，碳材料能够与硫原料贴合更紧密，在碳材料升温的短时间内迅速给硫粉加热使其熔融或者升华，让硫单质在碳材料表面或层间附着更迅速，从而提高其载硫量。进一步的，整个反应在惰性气氛氛围下进行，确保碳材料和硫原料不被空气氧化，同时惰性气体因电流击穿形成等离子体，在高温和等离子体共同作用下，二维碳材料如石墨烯片层会形成直径为1～200nm的孔，可以使硫原料更多的填充在碳材料表面和层间。进一步的，利用微波等能量形式作为加热源，可以将该过程缩短至分钟级甚至秒级，极大缩短了反应时间，提高了效率，并且采用微波等能量输入形式，从材料内部加热，大大减少了制备硫电极的能耗，而与原位化学生成纳米硫的方法相比，本专利技术无需处理大量的废物废液，符合绿色生产的节能环保要求。综上所述，本专利技术用微波等能量作用于压制成型的硫碳块体，可以采用间歇式或连续式方式扩大生产，易于规模化制备高效硫电极。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术实施例实验过程示意图，本实例中碳材料选用石墨烯；图2为实施例1的步骤2压制得到的石墨烯/硫圆片的SEM图，放大1500倍；图3为实施例1的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极圆片的SEM图，放大1500倍；图4为实施例1的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极圆片的SEM，放大5000倍；图5为实施例1的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极材料的元素能谱(EDS)扫描；图6为实施例1的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极材料的热重分析图；图7为实施例2的步骤2压制得到的石墨烯/硫圆片的SEM图，放大1500倍；图8为实施例2的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极圆片的SEM图，放大1500倍；图9为实施例2的步骤3最终得到的石墨烯/硫复合电极材料的热重分析图。具体实施方式本专利技术提供了一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，首先将一定量的硫粉和碳粉均匀混合后压成块体，高压作用下碳材料粉末形成导电网络，硫粉分布于该导电网络。然后在惰性气氛保护和微波等能量作用下，掺入的硫粉迅速熔化甚至气化，在表面力作用下，液态或气态的硫与碳材料充分接触，同时附着于碳材料的硫颗粒的大小，或硫膜厚度相比于微波等能量作用前，显著减小，甚至可以达到分子水平。微波等输入能量停止作用后，就得到了制备好的硫碳复合电极材料。请参阅图1，本专利技术一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，包括以下步骤：S1、按一定比例称量碳原料与硫原料，并研磨使二者混合均匀；碳原料为导电碳、多孔碳、空心碳球、碳纳米管、碳纤维、石墨烯以及采用B、P、N、S等一种或多种元素对上述碳材料进行掺杂的碳，或上述碳材料的组合；其中，石墨烯为热剥离石墨烯、机械剥离石墨烯、液相剥离石墨烯、CVD石墨烯、外延生长的石墨烯、高温碳化石墨烯、三维多孔石墨烯、二维多孔石墨烯、氢化石墨烯、氟化石墨烯的一种或多种组合。硫原料为单质硫或受热可分解为单质硫的化合物；碳原料与硫原料混合后，硫原料在混合料中的质量占比小于90％。S2、将混合后的原料进行压制成形；压制成的形状为棒状、片状、块状和球团状中的一种，其表观密度不大于1.6g/cm3。S3、将步骤S2压制成型后的初始硫碳电极块体材料置于反应器中，设置惰性气氛分压，反应器功率和反应时间，制备硫含量为20～80％的硫碳复合正极材料。反应器为微波/光波炉、红外光、激光、电磁炉或等离子体加热器或装置；惰性气氛为氩气、氮气、氦气中的一种或多种气体的混合气体，分压为0.5～5atm；反应器参数为：对于每100mg的原料片层，微波反应器的功率为100～5000瓦，反应时间为1～600秒。为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本专利技术实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，其特征在于，将碳原料与硫原料研磨并混合均匀制成混合料，然后将混合料压制成型，在惰性气氛中利用微波/光波将压制成型的混合料制备成硫碳复合正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，其特征在于，将碳原料与硫原料研磨并混合均匀制成混合料，然后将混合料压制成型，在惰性气氛中利用微波/光波将压制成型的混合料制备成硫碳复合正极材料。2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，其特征在于，混合料中硫原料的质量百分比小于90％。3.根据权利要求1或2所述的一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，其特征在于，碳原料为导电碳、多孔碳、空心碳球、碳纳米管、碳纤维、石墨烯以及采用B、P、N、S中一种或多种元素对上述碳材料进行掺杂的碳，或上述碳材料的组合；硫原料为单质硫或受热可分解为单质硫的化合物。4.根据权利要求3所述的一种锂硫电池用硫碳复合正极材料制备方法，其特征在于，石墨烯为热剥离石墨烯、机械剥离石墨烯、液相剥离石墨烯、CVD石墨烯、外延生长的石墨烯、高温...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩晓刚，蒋扬昶，轩莹莹，张凡，孙周婷，曾鼎元，郭伟昌，沈飞，赵斌，成永红，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61