一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池及制备方法，该锂硫电池以氰基聚合物修饰的硫电极为正极材料，氮化锂层保护为负极材料，能催化多硫化锂转化的Ni/C复合材料为活性材料，碳纳米管为导电剂，改性的PP/PE/PP三层多孔膜为隔膜，芘为电荷转移中间体。本发明专利技术的锂硫电池具有优异的低温充放电性能、稳定性能、长循环寿命、高比容量的优点，可作为低温及严寒环境下的储能电池及机场摆渡车用动力电池。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池及制备方法
本专利技术涉及动力电池领域，特别是一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池及制备方法。
技术介绍
锂硫电池(Li-S)是锂离子电池的一种，因比能量高、电压高、原料丰富、环境友好等优点，己成为目前最具发展前景的电池体系之一。但是，锂硫电池低温环境下性能下降很快，在15℃以下，锂硫电池化学反应速度迅速变慢，可逆性也受到很大影响。当外界温度较低时，比如在我国内蒙古、黑龙江等严寒地区或野外，在-20℃时其比容量己衰减为常温状态下的25％，在-40℃超低温环境下充放电行为极为复杂，严重制约了锂硫电池的正常使用。电池反应过程十分复杂，总的说，可描述为：S8+16Li＜＜8Li2S(1)其中放电方程式：S8+2Li＜＜Li2S8(2)Li2S8+2Li＜＜2Li2S4(3)Li2S8不稳定，会发生歧化反应：Li2S8＜＜2Li2Sn+(8-n)S(4)进一步被还原：Li2S4+2Li＜＜2Li2S2(5)2Li2S2+2Li＜＜2Li2S(6)拓展锂硫电池温度范围，提升低温环境下锂硫电池的性能刻不容缓。目前，锂硫电池在低温环境下容量衰减严重，循环性能变差和多硫化锂溶解穿梭等问题严重影响电池的性能。但是，锂硫电池低温特性的研究相对滞后，无法满足人们在北方严寒地区或野外的充、放电性能要求，所以很有必要在耐低温、长寿命等方面进一步改进，提高电池性能，更好的满足厂家要求，因此，开发出耐低温、长寿命的锂硫电池具有重要意义。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池及制备方法，通过对正负电极和隔膜进行修饰改性，提高活性物质、导电物质等利用率；在电解液中添加各种添加剂，并优选出熔点低的电解液配方来改善电解液耐低温、长寿命以及高比容量性能，克服现有的锂硫电池在低温环境下容量衰减严重变差、寿命短等缺点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池制备方法，包括以下步骤：步骤S1、制备硫正极：将含硫材料、海藻酸钠溶液和高导电材料按照质量比为7：2：1-10：6：5均匀混合后，烘干，得到正极浆料；将石墨烯、去离子水和硝酸镍混合、冷冻、干燥、煅烧，得到复合粉末，然后，复合粉末和碳纳米管按重量比为16：1-16：6进行混合，研磨，得到正极导电粉末；将所述正极浆料、正极导电粉末、粘结剂按重量比8：1：1均匀混合搅拌后涂布在正极集流体上，真空干燥除去溶剂后，得到硫正极，再将聚合修饰物涂覆到制得的硫正极上，即得到涂覆的硫正极；步骤S2、配制低温电解液：按照一定的质量分数比例将电解质、耐低温添加剂、电荷转移中间体混合，配制成低温电解液；步骤S3、将步骤S1得到的硫正极和电池隔膜、锂负极、电解液、电池外壳进行组装，得到锂硫电池。进一步地，所述步骤S1中，所述聚合修饰物的制备方法包括：将10g-16g的N，N-二甲基乙酰胺和0.6g-1.0g的氰基丙烯酸乙酯混合15-30min后制备得到聚合修饰物。进一步地，所述步骤S1中，正极导电粉末的制备方法具体包括：将质量分数为3％-5％的石墨烯与去离子水混合，超声震动1.5-2.5h后，加入C：Ni质量比为1：5-2：3硝酸镍，继续超声震动1.0-2.0h，得分散液；利用液氮技术将分散液快速冷冻并干燥，得到正极分散混合体；在Ar/H2保护下，将正极分散混合体放置在管式炉中，升温到850-950℃煅烧2.0-3.0h，自然冷却，得到复合粉末备用；将复合粉末和碳纳米管按重量比为16：1-6进行混合，研磨，得到正极导电粉末。进一步地，所述步骤S1中，所述正极浆料、正极导电粉末和粘结剂涂布在正极集流体上的涂布厚度为6-10μm。进一步地，所述电池隔膜的制备方法包括：将结构为Li10GeP2S12(LGPS)的固态电解质和粘结剂PVDF按重量比1：1-2：3溶于NMP溶液内制浆，将该浆液涂覆在微孔膜表面形成涂层，烘干、冷却，得到电池隔膜，其中，所述涂层厚度为2-5μm；其中，所述微孔膜包括PP、PE、SiO2-PVDF和PVC中的一种或几种。进一步地，所述锂负极的制备方法包括：在Ar/H2保护下，在10Kg/cm的压力下将含锂离子材料压到负极集流体上，并置于25℃纯度99.999％的气氛中处理2-3h，得到锂负极；其中，所述锂离子材料包括锂金属、锂锡合金、锂硅合金和锂铜合金中的一种或几种。进一步地，所述步骤S1中，含硫材料包括硫-碳纳米管复合材料、氰基聚合物修饰的硫电极中的一种或两种；高导电材料包括碳黑、石墨、石墨烯、乙炔黑、碳纳米管、碳纳米纤维、导电活性炭中的一种或几种。进一步地，所述步骤S1中，所述粘结剂包括PVDF、羧甲基纤维素钠、SBR橡胶中的一种或几种；所述步骤S2中，所述电解质包括二(三氟甲基磺酸酰胺)锂、六氟磷酸锂、高氯酸锂、双三氟甲烷磺酸亚胺锂和硝酸锂中的一种或几种；所述电荷转移中间体包括对二甲苯、芘、间二甲苯、菲、香豆素和邻二甲苯中的一种或几种。进一步地，所述耐低温添加剂包括乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯中的一种或几种，以及碳酸丙烯酯和碳酸亚乙烯酯。一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池，采用上述的制备方法制备得到。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本专利技术通过对正负电极进行修饰以及电解液配比进行优化和添加特定的电荷转移中间体等物质，优选出熔点低的电解液配方，进而改善低温性能，可避免由外部环境引起的电池温度过低带来的活性物质不可逆的问题。(2)本专利技术的锂硫电池制备过程简单可控，重复性好，易于大规模放大，提高了活性物质的利用率，改善了电池的循环稳定性，充放电性能好，具有耐低温、长循环寿命以及高比容量的优点；符合电池市场对于长寿命、高比容量电池的需求；具有较高的实际应用价值。(3)具体地，本专利技术通过选择工作温度窗口宽的溶剂，采取混合溶剂体系，来提高电解液工作的稳定性和安全性；选择匹配的溶质，添加合适的耐低温、耐过充的添加剂，在有效地降低其本身晶格能及凝固点的同时，提高了锂硫电池电解液在低温条件下离子的转移速率，提高离子电导率，改善电极与电解液的相界面稳定性、均匀性、电导性。改善成膜性能，保证电极与电解液的界面稳定性并提高电池的充放电性能。此外，在电解液中添加电荷转移中间体，可以加速锂硫电池低温下电荷传输，改善电池综合电化学性能。(4)本专利技术的锂硫电池满足了低温运行的要求，增加了锂硫电池的安全性、耐低温性和使用寿命，扩展了电池应用环境的温度区间，具有较好的应用前景。附图说明图1为耐高寒锂硫电池的制备流程图。图2为耐高寒锂硫电池的聚氰基丙烯酸乙酯涂覆硫正极的透射电镜图。图3为耐高寒锂硫电池的原理示意图。图4为耐高寒锂硫电池的圆柱形电池结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1、制备硫正极：/n将含硫材料、海藻酸钠溶液和高导电材料按照质量比为7：2：1-10：6：5均匀混合后，烘干，得到正极浆料；/n将石墨烯、去离子水和硝酸镍混合、冷冻、干燥、煅烧，得到复合粉末，然后，复合粉末和碳纳米管按重量比为16：1-16：6进行混合，研磨，得到正极导电粉末；/n将所述正极浆料、正极导电粉末、粘结剂按重量比8：1：1均匀混合搅拌后涂布在正极集流体上，真空干燥除去溶剂后，得到硫正极，再将聚合修饰物涂覆到制得的硫正极上，即得到涂覆的硫正极；/n步骤S2、配制低温电解液：按照一定的质量分数比例将电解质、耐低温添加剂、电荷转移中间体混合，配制成低温电解液；/n步骤S3、将步骤S1得到的硫正极和电池隔膜、锂负极、电解液、电池外壳进行组装，得到锂硫电池。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于高寒地区机场服务车辆的锂硫电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、制备硫正极：
将含硫材料、海藻酸钠溶液和高导电材料按照质量比为7：2：1-10：6：5均匀混合后，烘干，得到正极浆料；
将石墨烯、去离子水和硝酸镍混合、冷冻、干燥、煅烧，得到复合粉末，然后，复合粉末和碳纳米管按重量比为16：1-16：6进行混合，研磨，得到正极导电粉末；
将所述正极浆料、正极导电粉末、粘结剂按重量比8：1：1均匀混合搅拌后涂布在正极集流体上，真空干燥除去溶剂后，得到硫正极，再将聚合修饰物涂覆到制得的硫正极上，即得到涂覆的硫正极；
步骤S2、配制低温电解液：按照一定的质量分数比例将电解质、耐低温添加剂、电荷转移中间体混合，配制成低温电解液；
步骤S3、将步骤S1得到的硫正极和电池隔膜、锂负极、电解液、电池外壳进行组装，得到锂硫电池。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述聚合修饰物的制备方法包括：将10g-16g的N,N-二甲基乙酰胺和0.6g-1.0g的氰基丙烯酸乙酯混合15-30min后制备得到聚合修饰物。


3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，正极导电粉末的制备方法具体包括：将质量分数为3％-5％的石墨烯与去离子水混合，超声震动1.5-2.5h后，加入C：Ni质量比为1：5-2：3硝酸镍，继续超声震动1.0-2.0h，得分散液；利用液氮技术将分散液快速冷冻并干燥，得到正极分散混合体；在Ar/H2保护下，将正极分散混合体放置在管式炉中，升温到850-950℃煅烧2.0-3.0h，自然冷却，得到复合粉末备用；将复合粉末和碳纳米管按重量比为16：1-6进行混合，研磨，得到正极导电粉末。


4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述正极浆料、正极导电粉末和粘结剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少君，于晓阳，郭跃华，
申请(专利权)人：威海广泰空港设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37