一种锂硫电池正极极片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极极片及其制备方法，旨在降低锂硫电池充放电过程中的穿梭效应，同时提高锂硫电池正极极片高负载下的能量密度和充放电循环性能。所述锂硫电池正极极片包括正极活性物质、第一导电剂、第一粘结剂、添加剂和复合基底，所采用的C/WS2‑TCF/S结构具有柔韧性与多孔性，具有良好的自支撑能力与导电性，可以去掉金属集流体的使用从而具有更大体积变化空间，从而对高负载下的良好性能做出保障。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极极片及其制备方法
本专利技术涉及电池
，特别涉及一种锂硫电池正极极片及其制备方法。
技术介绍
在科技不断发展的今天，便携式电子设备已经融入人们生活、生产的方方面面，因此其电源的重要性也不言而喻。锂离子电池作为广泛应用于便携式电子设备的电源类型，具有高容量、循环性能较好等优点。随着电子设备产品的功能性越来丰富，如今电池的容量、能量密度以及循环性能也渐渐难以满足日益增长的要求。锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。硫基材料因为具有很高的理论储锂容量(1675mA·h/g)，远高于目前主流电池厂商所使用的钴酸锂等锂离子电池，同时具有环境友好、成本较低等优势，因此硫基材料成为当下锂离子电池的热门研究方向。虽然锂硫电池具有诸多优点，但硫基材料在嵌锂脱锂的过程中会带来巨大的体积变化，严重影响电池的循环性能。目前有许多研究者用不同的手段克服这一缺陷，包括用多种碳主体材料浸渍硫、采用多孔空心碳、硫-碳纳米管、石墨烯、金属氧化物骨架以及亲水粘合剂等。虽然这些基于碳的方法有助于限制硫和减少多硫化物穿梭效应，但以上方法的设计复杂，并且其循环寿命和硫负载限制了电池的能量密度。多硫化物Li2Sx是一种锂硫电池中硫正极充放电循环中所产生的反应物，其可造成穿梭效应影响电池性能。因此，如何在克服硫基材料在嵌锂脱锂的过程中带来的巨大体积变化，优化其循环性能，同时避免以上方法的不利影响成为了研究重点。
技术实现思路
本专利技术提出了一种锂硫电池正极极片，旨在降低锂硫电池充放电过程中的穿梭效应，同时提高锂硫电池正极极片高负载下的能量密度和充放电循环性能，所述正极极片包括正极活性物质、第一导电剂、第一粘结剂和复合基底，其中，所述复合基底为网状绷带经过浸泡导电溶液得到。采用上述技术方案，所述导电溶液含有第二导电剂、添加剂和第二粘结剂。采用上述各个技术方案，所述正极活性物质与所述第一导电剂与所述第一粘结剂的质量比为7～8:1～1.5:1～1.5；并且，所述第二导电剂与所述添加剂与所述第二粘结剂的质量比为3～4.5:3～4.5:1～4。采用上述各个技术方案，所述第一导电剂和所述第二导电剂分别为导电炭黑，或者分别为SuperP、KS-6、碳纳米管、碳纳米纤维中的一种或几种。导电炭黑(SuperP)可赋予制品导电或防静电的能力，其特点为粒径小、比表面积大且粗糙、表面洁净。导电剂主要作用是增强正极极片的电子电导能力。采用上述各个技术方案，所述添加剂为WS2和LiNO3中的一种或几种。其中，WS2能够有效抑制电池充放电过程中的穿梭效应，减少多硫化物的沉积，从而提高电池的循环性能。WS2，二硫化钨(Tungstendisulfide)，分子量247.97，为灰色带金属光泽的细小结晶或粉末，属于六方晶系，有半导体性和抗磁性，天然矿物为辉钨矿；层状结构，易解离，有与石墨类似的润滑性质，常用作润滑剂，如用于气溶胶。采用上述各个技术方案，所述第一粘结剂和第二粘结剂分别为PVDF(六氟丙烯)、PVDF-HFP(聚偏氟乙烯-六氟丙烯，外观为半透明或白色粉体或颗粒，分子链间排列紧密，又有较强的氢键，氧指数为46％，不燃，结晶度65％～78％，密度1.77～1.80g/cm3,熔点为172℃，热变形温度112～145℃，长期使用温度为-40～150℃)、PTFE(聚四氟乙烯)、PVA(聚乙烯醇)、PP(聚丙烯)和PE(聚乙烯)中的一种或几种。粘结剂不仅能够为正极极片提供粘结力，还能够为溶液提供增稠作用。采用上述各个技术方案，所述复合基底为由两片浸泡导电溶液得到的网状绷带(又称作扭曲布纤维，twistedclothfiber，TCF)经过叠层压实的双层复合基底。采用上述各个技术方案，所述正极活性物质为升华硫或含硫化合物。正极活性物质主要作用是为正极极片提供容量。本专利技术所述锂硫电池正极极片为3D扭曲布纤维TCF结构，中间复合硫化钨，硫化钨能够有效抑制电池充放电过程中的穿梭效应，减少多硫化物的沉积，从而提高电池的循环性能。硫颗粒与碳颗粒沉积在扭曲布纤维TCF表面与内部，其中硫颗粒能够显著提高该正极活性物质的容量，而包裹了碳颗粒的扭曲布纤维TCF结构不仅能够作为导电网络，增加材料的电子电导性能，还能为硫颗粒的膨胀提供缓冲，进一步增加该正极活性物质的循环性能。本专利技术还提出了上述锂硫电池正极极片的制备方法，其包括以下步骤：(1)将第二导电剂、添加剂和第一溶剂混合均匀形成溶液I，其中，所述第二导电剂与所述添加剂的质量比为3～4.5:3～4.5，所述第一溶剂占所述溶液I的质量百分比为80％-95％；(2)将第二粘结剂和第二溶剂混合均匀形成溶液II，并与步骤(1)中的溶液I混合均匀后得到溶液III，其中，所述第二导电剂与所述添加剂与所述第二粘结剂的质量比为3～4.5:3～4.5:1～4，所述第二溶剂占所述溶液II的质量百分比为80％-95％；(3)将所述网状绷带浸入溶液III中一段时间后取出，干燥后得到所述复合基底；(4)将正极活性物质、第一导电剂、第一粘结剂和第三溶剂混合均匀形成溶液IV，其中，所述正极活性物质与所述第一导电剂与所述第一粘结剂的质量比为7～8:1～1.5:1～1.5，所述第三溶剂占所述溶液IV的质量百分比为80％-90％；(5)将溶液IV分散在所述复合基底上，干燥后得到所述锂硫电池正极极片。采用上述技术方案，在步骤(3)中，所述网状绷带在浸入溶液III之前用乙醇及去离子水清洗，并于80℃常压烘干2～3小时；所述网状绷带浸入溶液III中的时间为2～3小时；所述干燥为80℃常压烘干12～14小时。采用上述各个技术方案，在步骤(3)中，将所述网状绷带浸入溶液III中一段时间后取出后，用裁片机裁片，并将2片所述网状绷带层叠后用约1MPa压力的压片机压实；并在60℃真空烘干干燥12～14小时后得到所述复合基底。采用上述各个技术方案，所述第一溶剂、第二溶剂、第三溶剂分别为DMAC(N,N-二甲基乙酰胺)、DMF(二甲基甲酰胺)、NMP(N-甲基吡咯烷酮)和丙酮中的一种或几种。采用上述各个技术方案，步骤(1)～(5)中的混合搅拌温度为20～40℃。本专利技术提供的锂硫电池正极极片的制备方法工艺简单、易于实施、有利于提高生产效率和节约生产成本，并且综合性能上优于传统锂硫电池正极极片工艺所制备的电池。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：第一，添加了WS2添加剂减弱了充放电过程中多硫化物的穿梭效应，在保证电池的高能量密度的同时提高了电池的循环性能，满足3C电子产品对于锂电池高容量的要求；第二，所使用的扭曲布纤维TCF结构，能同时起到支撑电池与容纳正极活性物质的作用，与硫正极匹配，其中空的结构允许硫正极在充放电过程中较大的体积膨胀而不破坏其结构，从而提高电池的循环稳定性。第三，独特的C/WS2-TCF/S复合结构摒弃传统电池中所使用的铝质集流体，多孔的布纤维结构能够搭载足够的导电剂保证其导电性，同时可扭曲的特性使正极的机械性能大幅提高，也进一步增加了正极对充放电过程中体积膨胀的适应性。第四，通过使用以上所述的混料方法及制备工艺，能够在较短的时间之内将正极溶液混合好，采用廉价的扭曲布纤维TCF降低了生产成本，极大的提高了生产效率，制备得到的锂硫电池正极极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极极片，其特征在于，包括：正极活性物质、第一导电剂、第一粘结剂和复合基底，其中，所述复合基底为网状绷带经过浸泡导电溶液得到。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极极片，其特征在于，包括：正极活性物质、第一导电剂、第一粘结剂和复合基底，其中，所述复合基底为网状绷带经过浸泡导电溶液得到。2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片，其特征在于，所述导电溶液含有第二导电剂、添加剂和第二粘结剂，并且，所述添加剂为WS2和LiNO3中的任意一种或两种。3.根据权利要求2所述的锂硫电池正极极片，其特征在于，所述正极活性物质与所述第一导电剂与所述第一粘结剂的质量比为7～8:1～1.5:1～1.5；并且，所述第二导电剂与所述添加剂与所述第二粘结剂的质量比为3～4.5:3～4.5:1～4。4.根据权利要求2所述的锂硫电池正极极片，其特征在于，所述第一导电剂和所述第二导电剂分别为导电炭黑，或者分别为SuperP、KS-6、碳纳米管、碳纳米纤维中的一种或几种；并且，所述第一粘结剂和所述第二粘结剂分别为PVDF、PVDF-HFP、PTFE、PVA、PP和PE中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片，其特征在于，所述复合基底为由两片浸泡导电溶液得到的网状绷带经过叠层压实的双层复合基底。6.如权利要求1所述的锂硫电池正极极片，其特征在于，所述正极活性物质为升华硫或含硫化合物。7.一种权利要求1-6任一项所述锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将第二导电剂、添加剂和第一溶剂混合均匀形成溶液I，其中，所述第二导电剂与所述添加剂的质量比为3～4.5:3～4.5，所述第一溶剂占所述溶液I的质量百分比...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟东，景潇鹏，丁显波，陈太宝，周梅，
申请(专利权)人：深圳锂硫科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44