正极材料、正极片及其制备方法及锂硫电池技术

一种正极片的制备方法，包括：由氧化物和硫源发生原位硫化反应制备氧化物/硫化物异质结构：硫源挥发形成硫蒸气，硫蒸气在氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将氧化物表面部分硫化为相应的硫化物；将导电剂、粘结剂、碳硫复合物与氧化物/硫化物异质结构均匀混合，得到混合物；在混合物中加入有机溶剂并使混合物与有机溶剂均匀混合，得到正极材料；及将正极材料负载在集流体上，得到正极片。本发明专利技术还涉及一种正极材料、正极片及锂硫电池。本发明专利技术提供的正极材料、正极片、正极片的制备方法及锂硫电池具有良好的多硫化物的吸附性能又能促进多硫化物转化，最终能够提高锂硫电池的反应动力学及电化学性能且合成工艺简单。

【技术实现步骤摘要】
正极材料、正极片及其制备方法及锂硫电池
本专利技术涉及锂硫电池领域，尤其涉及一种正极材料、正极片、正极片的制备方法及锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池有望成为下一代储能电池，因为其具有较高的理论容量，硫源价格低廉以及对环境友好。然而锂硫电池的循环性能较差，硫的利用率比较低。这是由于硫和锂在充放电反应过程中会生成多硫化物，高阶多链的多硫化物能够溶解在锂硫电解液中，溶解之后透过隔膜穿梭到负极和锂反应生成硫化锂，这种多硫穿梭导致硫源流失，硫的利用率低。低阶的多硫化物导电性差并覆盖在正极材料表面导致“死硫”的出现。以上这些问题都导致锂硫电池循环性能较差以及高倍率性能较差，为了解决以上问题很多研究人员开发了很多添加剂，例如氧化物，硫化物，磷化物，氮化物以及这些材料的异质结构。这些添加剂特别是异质结构添加剂能够吸附多硫化物并且加快多硫化物的转化，提高电池的反应动力学。目前异质结构添加剂合成工艺比较复杂。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种具有良好的多硫化物的吸附性能又能促进多硫化物转化，最终能够提高锂硫电池的反应动力学及电化学性能且合成工艺简单的正极材料。还有必要提供一种应用如上所述的正极材料的正极片。还有必要提供一种如上所述的正极片的制备方法。还有必要提供一种应用如上所述的正极片的锂硫电池。一种正极材料，包括导电剂、粘结剂、碳硫复合物及添加剂，所述添加剂为氧化物/硫化物异质结构，所述氧化物/硫化物异质结构由氧化物和硫源通过原位硫化反应制备而成，所述硫源挥发形成硫蒸气，所述硫蒸气在所述氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将所述氧化物表面部分硫化为相应的硫化物，从而生成所述氧化物/硫化物异质结构。进一步地，所述氧化物/硫化物异质结构的形貌为颗粒状或者片层状；所述氧化物/硫化物异质结构的颗粒直径为10nm-700μm；在所述氧化物/硫化物异质结构中，所述硫化物与所述氧化物的质量比为1:20-20:1。进一步地，所述添加剂在所述正极材料中所占的质量百分比为1％-10％，所述碳硫复合物在所述正极材料中所占的质量百分比为60％-99.9％，所述导电剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％，所述粘结剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％。进一步地，所述氧化物为氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛、氧化钴、氧化钒、氧化锰、氧化锡、氧化锆、氧化镁、氧化镧、氧化铯、氧化铈以及氧化铜中的至少一种；所述硫化物为硫化钨、硫化钼、硫化铁、硫化钛、硫化钴、硫化钒、硫化锰、硫化锡、硫化锆、硫化镁、硫化镧、硫化铯、硫化铈以及硫化铜中的至少一种。进一步地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、羧甲基纤维素、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、羧甲基纤维素钠、藻蛋白酸钠、聚丙烯酸钠中的至少一种；所述导电剂为碳材料；所述碳硫复合物中的碳为一维的碳管、二维的石墨烯中的至少一种，所述碳硫复合物中的硫为单质硫，在所述碳硫复合物中，所述单质硫质量百分比为50％-98％。一种正极片，所述正极片包括集流体，所述正极片还包括如上所述的正极材料，所述正极材料负载在所述集流体之上或之中。一种正极片的制备方法，包括：制备氧化物/硫化物异质结构；所述氧化物/硫化物异质结构由氧化物和硫源通过原位硫化反应制备而成，所述硫源挥发形成硫蒸气，所述硫蒸气在所述氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将所述氧化物表面部分硫化为相应的硫化物，从而生成所述氧化物/硫化物异质结构；所述氧化物/硫化物异质结构为添加剂；提供导电剂、粘结剂、碳硫复合物，并将导电剂、粘结剂、碳硫复合物与所述氧化物/硫化物异质结构均匀混合，得到一混合物；在所述混合物中加入有机溶剂并使所述混合物与所述有机溶剂均匀混合，得到一正极材料；及将所述正极材料负载在一集流体上，得到所述正极片。进一步地，制备所述氧化物/硫化物异质结构，包括步骤：称取一定质量比例的氧化物和硫源并分别放入一热处理容器内；并将所述热处理容器抽真空并充入保护气氛；所述氧化物和所述硫源的质量比例为1:10-10:1；及在真空环境及保护气氛中热处理所述氧化物和硫源。进一步地，所述热处理的过程为：将所述热处理容器以1～10℃/min的升温速率升温至250-400℃，并保温0.5-4小时；以1～10℃/min的升温速率升温至400-700℃，保温0.5-4小时，得到氧化物/硫化物异质结构材料。进一步地，所述氧化物为氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛、氧化钴、氧化钒、氧化锰、氧化锡、氧化锆、氧化镁、氧化镧、氧化铯、氧化铈以及氧化铜中的至少一种；所述硫源为升华硫粉、纳米硫粉、硫代乙酰胺、硫化钠或者硫脲中的至少一种。进一步地，所述氧化物/硫化物异质结构的形貌为颗粒状或者片层状；所述氧化物/硫化物异质结构的颗粒直径为10nm-700μm；在所述氧化物/硫化物异质结构中，所述硫化物与所述氧化物的质量比例为1:20-20:1。进一步地，所述氧化物/硫化物异质结构在所述正极材料中所占的质量百分比为1％-10％，所述碳硫复合物在所述正极材料中所占的质量百分比为60％-99.9％，所述导电剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％，所述粘结剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％。进一步地，负载的方式包括刮刀涂布、挤压涂布、浸渍涂布、辊涂、旋转涂布、倾倒、注射中的至少一种。一种锂硫电池，所述锂硫电池包括一锂负极、一隔膜、电解液及电池壳，所述锂硫电池还包括如权利要求6所述的正极片，所述电解液位于所述电池壳内，所述正极片、所述锂负极及所述隔膜浸没于所述电解液内，所述隔膜位于所述正极片及所述锂负极之间。本专利技术提供的正极材料、正极片、正极片的制备方法及锂硫电池，1)通过原位硫化的方法将氧化物颗粒表面部分被硫化为相应的硫化物，以制备氧化物硫化物异质结构，通过控制硫化热处理的条件以及硫源和氧化物的质量比，能够制备出具有不同形貌、结构以及不同氧化物和硫化物质量比的异质结构，制备工艺简单；2)将所述氧化物硫化物异质结构作为正极材料的催化剂，所述氧化物硫化物异质结构对锂硫电池充放电过程中产生的多硫化物具有非常好的化学吸附作用并且能够促进硫与多硫化物以及多硫化物和硫化锂之间的转化，最终提高锂硫电池的反应动力学及电化学性能。附图说明图1为本专利技术提供的WO3、3WO3-1WS2、1WO3-2WS2、WS2的形貌扫描图。图2为WO3、3WO3-1WS2、1WO3-2WS2、WS2的物相分析(X射线衍射)图。图3为WO3、3WO3-1WS2、1WO3-2WS2、WS2作为正极材料的锂硫电池倍率图。图4为WO3、3WO3-1WS2、1WO3-2WS2、WS2作为正极材料的锂硫电池的循环性能图。具体实施方式为能进一步阐述本专利技术达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施方式，对本专利技术提供的正极材料、正极片、正极片的制备方法及锂硫电池的具体实施方式、结构、特征及其功效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种正极材料，包括导电剂、粘结剂、碳硫复合物及添加剂，其特征在于，所述添加剂为氧化物/硫化物异质结构，所述氧化物/硫化物异质结构由氧化物和硫源通过原位硫化反应制备而成，所述硫源挥发形成硫蒸气，所述硫蒸气在所述氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将所述氧化物表面部分硫化为相应的硫化物，从而生成所述氧化物/硫化物异质结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种正极材料，包括导电剂、粘结剂、碳硫复合物及添加剂，其特征在于，所述添加剂为氧化物/硫化物异质结构，所述氧化物/硫化物异质结构由氧化物和硫源通过原位硫化反应制备而成，所述硫源挥发形成硫蒸气，所述硫蒸气在所述氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将所述氧化物表面部分硫化为相应的硫化物，从而生成所述氧化物/硫化物异质结构。


2.如权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述氧化物/硫化物异质结构的形貌为颗粒状或者片层状；所述氧化物/硫化物异质结构的颗粒直径为10nm-700μm；在所述氧化物/硫化物异质结构中，所述硫化物与所述氧化物的质量比为1:20-20:1。


3.如权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述添加剂在所述正极材料中所占的质量百分比为1％-10％，所述碳硫复合物在所述正极材料中所占的质量百分比为60％-99.9％，所述导电剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％，所述粘结剂在所述正极材料中所占的质量百分比为0.1％-20％。


4.如权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述氧化物为氧化钨、氧化钼、氧化铁、氧化钛、氧化钴、氧化钒、氧化锰、氧化锡、氧化锆、氧化镁、氧化镧、氧化铯、氧化铈以及氧化铜中的至少一种；所述硫化物为硫化钨、硫化钼、硫化铁、硫化钛、硫化钴、硫化钒、硫化锰、硫化锡、硫化锆、硫化镁、硫化镧、硫化铯、硫化铈以及硫化铜中的至少一种。


5.如权利要求1所述的正极材料，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、羧甲基纤维素、甲基纤维素、淀粉磷酸钠、羧甲基纤维素钠、藻蛋白酸钠、聚丙烯酸钠中的至少一种；所述导电剂为碳材料；所述碳硫复合物中的碳为一维的碳管、二维的石墨烯中的至少一种，所述碳硫复合物中的硫为单质硫，在所述碳硫复合物中，所述单质硫质量百分比为50-98％。


6.一种正极片，所述正极片包括集流体，其特征在于，所述正极片还包括如权利要求1-5任一项所述的正极材料，所述正极材料负载在所述集流体之上或之中。


7.一种正极片的制备方法，包括：
制备氧化物/硫化物异质结构：所述氧化物/硫化物异质结构由氧化物和硫源发生原位硫化反应制备而成，所述硫源挥发形成硫蒸气，所述硫蒸气在所述氧化物的表面部分发生原位硫化反应，以将所述氧化物表面部分硫化为相应的硫化物，从而生成所述氧化物/硫化物异质结构；所述氧化物/硫化物异质结构为添加剂；
提供导电剂、粘结剂、碳硫复合物，并将...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕伟，张玢，罗冲，杨全红，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44