一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，通过将充足量的所述硫源沉积至所述中空碳纳米管的内部，空芯体积可完全被硫填充，或用所述硫源填充到它的保持容量，且保持所述中空碳纳米管的内部的剩余空间用于所述硫源的任何膨胀，有效阻止锂多硫化物在锂‑硫电池放电期间泄漏至电解质中，并且通过在包含硫‑碳复合物的阴极活性部表面上设置包含含有亲水部分和疏水部分的两亲聚合物的所述阴极涂层，两亲聚合物可与放电期间产生的锂多硫化物结合，并因此可抑制锂多硫化物溶解于电解质溶液中的现象，从而改善锂‑硫电池的循环特性。

A manufacturing method of sulfur cathode for packaging lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法
本专利技术涉及锂电池制造
，尤其涉及一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法。
技术介绍
目前锂离子电池已经被证明与其他电池化学相比能提供更高的能量和功率密度、更宽范围的操作温度和出色的循环寿命和日历寿命。对各种便携电子装置的持续需求和基于高功率电力应用的运输持续引导研究集中在更低成本的材料，而不用损失锂离子电池的可靠性和寿命。结果，锂-硫电池单元已成为有吸引力的选择，因为假设Li2S完全反应，最高理论比能为大约2600Wh/kg(1672mAh/g)。然而，当在锂-硫电池单元中用作阴极活性材料时，元素硫引起两个问题。第一，硫本身具有很低的电导率，例如在25℃时大约5.0x10-14Scm-1。第二，当锂化或放电期间，硫在电池单元的电解质中具有高溶解性。当充电和放电期间，硫的溶解减少了电化学电池单元的容量，并且是不希望的。例如，溶解之后，硫阴离子在碳阳极表面上重新沉积并反应。因此，锂-硫电池需要具有改进的能量和功率输出。本公开提供一种新的含硫阴极材料以最小化与硫的高电阻、溶解、反应相关的现有问题，同时保持所需的可用寿命。过去已经进行过很多尝试来混合元素硫和碳颗粒以提高电导率。另外，最近的工作已经执行以将硫捕集在碳颗粒的微小的和中间的孔中。然而，在这些类型的碳中的硫的沉积不能防止硫暴露于电解质，并且在快速容量衰减下仅具有有限的循环寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种有效阻止锂多硫化物在锂-硫电池放电期间泄漏至电解质中来改善循环特性的用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法。为实现上述目的，本专利技术采用的一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，包括如下步骤：提供中空碳纳米管和硫源至特定环境内；将硫源沉积至中空碳纳米管的内部，形成硫-碳复合物阴极活性部；清洁中空碳纳米管的外部，并利用阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部；待阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部完成后，结合至阴极元件中。其中，所述中空碳纳米管为竹节型、Y型、环形或叠锥型，所述中空碳纳米管的平均内部芯直径为20nm～40nm。其中，所述硫源的量比填充所述碳纳米管的内部所需单质硫的理论量多出20wt％～25wt％，所述硫源为选自过渡金属元素、第IIIA族元素、第IVA族元素、这些元素的硫化物以及这些元素和硫的合金中的一种或更多种添加剂，沉积所述硫源可采用升华、化学汽相沉积、物理汽相沉中的一种方式或者多种组合方式，且沉积后的所述硫源的量占所述中空碳纳米管的内部容量的3/5。其中，清洁所述中空碳纳米管的外部所采用的方式为加热处理或溶剂浴，以便除去所述中空碳纳米管的外部所有沉积的硫。其中，所述阴极涂层包含含有亲水部分和疏水部分的两亲聚合物，其中所述两亲聚合物的疏水部分取向为朝向所述硫-碳复合物阴极活性部，所述两亲聚合物的亲水部分朝向所述硫-碳复合物阴极活性部的外侧。其中，所述阴极涂层的厚度为20nm～80nm，设置多个孔至所述阴极涂层上，且基于电池的阴极的总体积，控制所述阴极涂层上的孔间隙为60％～90％。其中，所述两亲聚合物包括选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙烯醇(PVA)、及其共聚物中的一种或多种，且所述两亲聚合物的含量占所述硫-碳复合物阴极活性部的0.01％～1.0％。本专利技术的有益效果体现在：通过将充足量的所述硫源沉积至所述中空碳纳米管的内部，空芯体积可完全被硫填充，或用所述硫源填充到它的保持容量，且保持所述中空碳纳米管的内部的剩余空间用于所述硫源的任何膨胀，有效阻止锂多硫化物在锂-硫电池放电期间泄漏至电解质中，并且通过在包含硫-碳复合物的阴极活性部表面上设置包含含有亲水部分和疏水部分的两亲聚合物的所述阴极涂层，两亲聚合物可与放电期间产生的锂多硫化物结合，并因此可抑制锂多硫化物溶解于电解质溶液中的现象，从而改善锂-硫电池的循环特性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法的步骤原理图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。请参阅图1，本专利技术提供了一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，包括如下步骤：S100：提供中空碳纳米管和硫源至特定环境内；其中所述中空碳纳米管为竹节型、Y型、环形或叠锥型，所述中空碳纳米管的平均内部芯直径为20nm～40nm，所述中空碳纳米管优选为汽相生长技术形成的叠锥型，例如，因为在放电期间，它们可能倾向于通过允许结构的体积和/或形状的轻微改变来最小化任何应力。另外，叠锥结构的纤维壳保护硫不直接与电解质接触，以最小化任何的聚硫化物阴离子溶解到电解质溶液中。所述碳纳米管的平均内部芯直径优选为20nm，所述中空碳纳米管的平均长径比为800～1200，通过在封闭环境或者惰性环境中提供中空的、呈叠锥结构的所述中空碳纳米管和所述硫源。S200：将硫源沉积至中空碳纳米管的内部，形成硫-碳复合物阴极活性部；其中，所述硫源的量比填充所述碳纳米管的内部所需单质硫的理论量多出20wt％～25wt％，所述硫源为选自过渡金属元素、第IIIA族元素、第IVA族元素、这些元素的硫化物以及这些元素和硫的合金中的一种或更多种添加剂，例如过渡金属元素的实例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au、Hg等，第IIIA族元素的实例包括Al、Ga、In、Ti等，并且第IVA族元素的实例包括Ge、Sn、Pb等，所述硫源可为单质硫、硫酸铵、硫化铵中的一种或多种组合，沉积所述硫源可采用升华、化学汽相沉积、物理汽相沉中的一种方式或者多种组合方式，且沉积后的所述硫源的量占所述中空碳纳米管的内部容量的3/5。一旦所述硫源和所述中空碳纳米管在封闭环境中，所述硫源沉积在所述中空碳纳米管的中空部内，沉积所述硫源可采用升华、化学汽相沉积、物理汽相沉、以及液态沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：/n提供中空碳纳米管和硫源至特定环境内；/n将硫源沉积至中空碳纳米管的内部，形成硫-碳复合物阴极活性部；/n清洁中空碳纳米管的外部，并利用阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部；/n待阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部完成后，结合至阴极元件中。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供中空碳纳米管和硫源至特定环境内；
将硫源沉积至中空碳纳米管的内部，形成硫-碳复合物阴极活性部；
清洁中空碳纳米管的外部，并利用阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部；
待阴极涂层包覆硫-碳复合物阴极活性部完成后，结合至阴极元件中。


2.如权利要求1所述的用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，其特征在于，
所述中空碳纳米管为竹节型、Y型、环形或叠锥型，所述中空碳纳米管的平均内部芯直径为20nm～40nm。


3.如权利要求1所述的用于锂离子电池的封装的硫阴极的制造方法，其特征在于，
所述硫源的量比填充所述碳纳米管的内部所需单质硫的理论量多出20wt％～25wt％，所述硫源为选自过渡金属元素、第IIIA族元素、第IVA族元素、这些元素的硫化物以及这些元素和硫的合金中的一种或更多种添加剂，沉积所述硫源可采用升华、化学汽相沉积、物理汽相沉中的一种方式或者多种组合方式，且沉积后的所述硫源的量占所述中空碳纳米管的内部容量的3/5。


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【专利技术属性】
技术研发人员：刘云霞，
申请(专利权)人：重庆工业职业技术学院，
类型：发明
国别省市：重庆;50