一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法。利用经过提纯和高温热处理的无烟煤尾料与单质硫充分混合均匀后在155‑200

Preparation of Anthracite-based Lithium-Sulfur Battery Cathode Material

The invention provides a preparation method of anthracite-based lithium sulfur battery cathode material. The anthracite tailings after purification and high temperature heat treatment are fully mixed with elementary sulfur and evenly mixed at 155 200.

【技术实现步骤摘要】
一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法
本专利技术涉及一种高能量密度正极材料的制备方法，特别涉及一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，本专利技术属于锂硫电池材料
技术背景当前，锂离子电池被广泛应用于各种便携式电子设备如笔记本电脑、数码相机以及大型交通运输工具如电动汽车中。但随着人们对能源需求的不断提高，传统以石墨、插层化合物为正负极材料的锂离子电池已不能满足当今社会的发展需求。锂硫电池由于其高能量密度（2600Whkg-1）和高理论比容量（1672mAhg-1），最近受到广泛关注。同时硫还具有价格低廉、环境友好等优点，因此锂硫电池被认为是最具有发展前景的储能设备之一。然而锂硫电池存在的主要问题是：硫的导电性差、充放电过程中产生的中间产物多硫化物导致的穿梭效应以及硫在充放电过程中体积变化等，这些因素极大限制了锂硫电池的商业化应用。本专利专利技术了一种以廉价无烟煤为载硫框架的无烟煤/硫复合锂硫电池正极材料。
技术实现思路
基于以上研究背景，本专利技术提供一种简便高性能的锂硫电池正极材料制备方法，所述正极材料为无烟煤/硫复合材料。具体制备方法如下：取适量热解之后的无烟煤尾料和硫粉于玛瑙研钵中，充分研磨（1~3h）均匀得到混合粉末，将粉末移至密闭容器中，在150~200oC的鼓风烘箱加热10~15h，冷却后再次研磨得到无烟煤/硫复合材料。所述的无烟煤和硫粉的质量比为3~6:4~7。无烟煤/硫复合材料中硫质量百分比为40-70wt%。采用所述制备得到的无烟煤基锂硫电池正极材料组装电池的方法，其步骤是将无烟煤基锂硫电池为正极材料，三氟甲基磺酰）亚胺锂（LiTFSI）为电解液溶质，以体积比为1:0.8-1.2的1，3二氧戊烷和乙二醇二甲醚为电解液溶剂，同时加入质量分数为0.5-1%的LiNO3（相对于溶剂质量分数），直接组装成为2025型扣式电池。该组装电池中还包括隔膜，所述的隔膜为Celgard2400聚丙烯微孔膜。进行组装后充放电电压平台区间为1.7~2.7VvsLi/Li+。本专利技术所涉及的无烟煤/硫复合材料正极材料的制备方法、材料及性能具有以下几方面特点：（1）成本低廉，无污染；（2）合成工艺简单，易于操作，重复性好。附图说明图1实施例1中无烟煤/硫复合材料的表征附图，其中，（a）SEM图、（b）XRD图和（c）循环性能图和（d）首次充放电性能图。图2实施例1中无烟煤/硫复合材料的C、S元素分布图，其中，（a）为SEM图、（b）为C元素分布图和（c）为S元素分布图。图3实施例2中无烟煤/硫复合材料的XRD图。图4实施例2中无烟煤/硫复合材料电极的表征附图，其中，（a）首次充放电性能图和（b）循环性能图。图5实施例3中无烟煤/硫复合材料的表征附图，其中，(a)SEM图，(b)XRD图，(c)循环性能图和(b)首次充放电性能图。具体实施方式实施例1称取0.5g热解之后的无烟煤尾料和1.17g硫粉于研钵中，研磨混合均匀后移至10mL水热反应釜内衬中，在200oC的鼓风烘箱中加热12h，冷却后研磨得到无烟煤/硫复合材料。所制备的样品经XRD图谱分析，图1(a)为制备得到的无烟煤/硫复合材料的SEM图，可以看到无烟煤/硫复合材料为尺寸为1~10µm左右的块体。如图1(b)制备得到的无烟煤/硫复合材料的XRD图，所有的衍射峰和S8（XRD卡片JCPDS，No.08-0247）对应，说明成功制备得到了无烟煤/硫复合材料。将无烟煤/硫复合材料（8:1:1，无烟煤/硫复合材料:乙炔黑:PVDF）涂覆在铝箔上，60oC真空干燥12h后，裁剪成14mm的圆片。以金属锂片为对电极，Celgard2400为隔膜。电解液以LiTFSI(1molL-1)为溶质，DME+DOL（体积比为1:1）为溶剂，并加入质量分数为1%的LiNO3（相对于溶剂质量分数），在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再通过CT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压区间为1.7-2.7V。图1(c)表明，实施例1所制备的无烟煤/硫电极在50mAg-1电流密度下具有高达900mAhg-1的初始比容量，经过大约50次循环后比容量出现较大程度衰减，最终保持在100mAhg-1左右。通过充放电曲线图1(d)可以看到，在电流密度为50mAg-1下，充放电曲线出现了一定极化，平均放电电压约为2.3V。实施例2称取0.5g热解之后的无烟煤尾料和0.75g硫粉于研钵中，研磨混合均匀后移至10mL水热反应釜内衬中，在200oC的鼓风烘箱中加热12h，冷却后研磨得到无烟煤/硫复合材料。所制备的样品经XRD图谱分析，图3为实施例2制备得到样品的XRD图，所有的衍射峰和S8（XRD卡片JCPDS，No.08-0247）对应，说明成功地制备了无烟煤/硫复合材料。将无烟煤/硫复合材料（8:1:1，无烟煤/硫复合材料:乙炔黑:PVDF）涂覆在铝箔上，60oC真空干燥12h后，裁剪成14mm的圆片，以金属锂片为对电极，Celgard2400为隔膜，电解液以LiTFSI(1molL-1)为溶质，DME+DOL（体积比为1:1）为溶剂，并加入质量分数为1%的LiNO3（相对于溶剂质量分数），在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再通过CT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压为1.7-2.7V。通过充放电曲线图4(a)可以看到，在电流密度为50mAg-1下，平均放电电压约为2.1V。图4(b)表明实施例2所制备的无烟煤/硫电极在50mAg-1电流密度下具有高达655mAhg-1的初始比容量，经过40次循环后比容量保持在160mAhg-1左右，具有相比于实施例1更优异的电化学性能。实施例3称取0.5g热解之后的无烟煤尾料和0.5g硫粉于研钵中，研磨混合均匀后移至10mL水热反应釜内衬中，在200oC的鼓风烘箱中加热12h，冷却后研磨得到无烟煤/硫复合材料。图5(a)为制备得到的无烟煤/硫复合材料的SEM图，可以看到无烟煤/硫复合材料为尺寸为10µm左右的块体，同时出现了较大程度的团聚。所制备的样品经XRD表征分析，如图5(b)所示，所有的衍射峰和S8（XRD卡片JCPDS，No.08-0247）对应，说明成功地制备了无烟煤/硫复合材料。将无烟煤/硫复合材料（8:1:1，无烟煤/硫复合材料:乙炔黑:PVDF）涂覆在铝箔上，60oC真空烘箱12h烘干，裁剪成14mm的圆片，以金属锂片为对电极，Celgard2400为隔膜，电解液以LiTFSI(1molL-1)为溶质，DME+DOL（体积比为1:1）为溶剂，并加入质量分数为1%的LiNO3（相对于溶剂质量分数），在氩气保护的手套箱中组装成CR2025型电池。电池组装完后静置8h，再通过CT2001A电池测试系统进行恒流充放电测试，测试电压为1.7-2.7V。图5(c)表明，实施例3所制备的无烟煤/硫电极在50mAg-1电流密度下具有高达645mAhg-1的初始比容量，但是经过50次循环后其比容量出现了较大的衰减，最终比容量稳定在100mAhg-1左右。通过充放电曲线图5(d)可以看到，在电流密度为50mAg-1下，充放电曲线出现了一定极化，平均放电电压约为2.35V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，该锂硫电池正极材料的制备工艺如下：取适量无烟煤和硫粉于玛瑙研钵中，研磨1‑3 h得到均匀混合粉末，将粉末移至密封水热内衬中，在鼓风烘箱中150‑200

【技术特征摘要】
1.一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，该锂硫电池正极材料的制备工艺如下：取适量无烟煤和硫粉于玛瑙研钵中，研磨1-3h得到均匀混合粉末，将粉末移至密封水热内衬中，在鼓风烘箱中150-200oC加热10-15h，冷却后得到无烟煤/硫复合材料。2.如权利要求1所述的无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，无烟煤、硫粉的质量比为3-6:4-7；以无烟煤为惰性气体气氛下热解之后得到的无烟煤，热解温度范围为1000-1400oC，热解时间为2-5h。3.如权利要求1所述的无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的硫粉粒径范围为10-50...

【专利技术属性】
技术研发人员：高林，陈思，杨学林，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42