锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池技术

技术编号:27035250 阅读:19 留言:0更新日期:2021-01-12 11:18
本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池。所述锂硫电池正极材料包括复合碳颗粒本体,所述复合碳颗粒本体为球形,且具有三维多孔结构,所述复合碳颗粒本体包括碳纳米管和科琴黑,且所述碳纳米管与科琴黑混合分布;至少在所述复合碳颗粒本体的表面和所述三维多孔结构的孔隙表面沉积有硫单质。锂硫电池所含正极的活性层含有本发明专利技术锂硫电池正极材料。本发明专利技术锂硫电池正极材料以碳纳米管/科琴黑形成的复合碳颗粒本体为球形和多孔载硫骨架,硫负载量高,能量密度高,多硫化物引发的穿梭效应低,循环稳定性好。由本发明专利技术锂硫电池正极材料形成的极片和锂硫电池能量密度高,电解液浸润性好,循环性能优异。

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池
本专利技术属于锂硫电池
,具体涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法和锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池具有高的理论比容量,比现有的商用正极材料容量高出一个数量级,如锂硫电池在理论上具有高比容量(1673mAh/g)、高能量密度(2600Wh/kg、2800Wh/L),是商业钴酸锂/石墨锂离子电池(理论能量密度360Wh/kg)的7倍。同时硫作为正极材料还具有低成本、储量丰富和环境友好等优点,可以满足很多新兴技术的要求,使得锂硫电池成为电化学储能装置中最有前景的候选者之一,受到学术界和产业界的广泛关注。但是锂硫电池存在一些问题,如活性物质硫单质和放电产物电导率低、充放电过程中多硫化物溶出、体积变化大等,其中,体积变化大极易导致极片粉化等不良现象发生,从而显著影响电池的倍率性能和循环寿命,从而限制其应用及发展。其中,锂硫电池的正极是限制其应用的重要瓶颈和亟待解决的难题,其复杂的电化学反应机理严重制约了锂硫电池的实际应用。针对硫单质活性物质存在的上述的不足,目前也报道了一些碳基载硫复合正极材料,其是利用碳强的吸附能力作为硫的碳基底而被广泛应用于锂硫电池中。极片中硫含量直接影响锂硫电池高比能量密度的实现,极片载硫量越高,其多硫化物穿梭越严重。而且目前大部分研究工作在极片硫载量≤3mg/cm2方面开展,与锂硫电池实际应用的极片载硫量相差甚远。如果进一步提高极片硫载量,会导致极片电阻增大、多硫化物穿梭严重、循环稳定性差等问题发生。另外,对于高载硫极片,高的极片电解液浸润性是至关重要的因素。然而,现有公开报道的碳基载硫复合正极材料的电解液浸润性并不理想。其次,碳基载硫复合正极材料制备方法繁琐复杂,能耗和成本相对较高,较难实现规模化生产,对锂硫电池的应用及产业化造成了挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法,以解决现有锂硫电池正极材料硫载量不高,而且形成的极片电解液浸润性不理想的技术问题。本专利技术的另一目的在于提供一种锂硫电池正极和锂硫电池,以解决现有锂硫电池由于所含现有锂硫电池正极材料而导致容量低和循环性不理想的技术问题。为了实现上述专利技术目的,本专利技术的一方面,提供了一种锂硫电池正极材料。所述锂硫电池正极材料包括复合碳颗粒本体,所述复合碳颗粒本体为球形,且具有三维多孔结构,所述复合碳颗粒本体包括碳纳米管和科琴黑,且所述碳纳米管与科琴黑混合分布;至少在所述复合碳颗粒本体的表面和所述三维多孔结构的孔隙表面沉积有硫单质。本专利技术的另一方面,提供了一种锂硫电池正极材料的制备方法。所述锂硫电池正极材料的制备方法包括如下步骤:将碳纳米管和科琴黑配制成混合碳分散液;将所述混合碳分散液进行喷雾干燥处理,获得复合碳颗粒,所述复合碳颗粒为球形,且具有三维多孔结构;将所述复合碳颗粒与单质硫进行混合处理,后于保护气氛中进行热载硫处理。本专利技术的再一方面,提供了一种锂硫电池正极。所述锂硫电池正极包括正极集流体和结合在所述正极集流体表面的活性层,所述活性层的材料包括导电剂、粘结剂和正极活性材料形成的混合物,其中,所述正极活性材料为本专利技术锂硫电池正极材料或由本专利技术制备方法制备的锂硫电池正极材料。与现有技术相比,本专利技术锂硫电池正极材料以碳纳米管/科琴黑形成的复合碳颗粒本体为载硫骨架,有效提高了单质硫的负载量,从而赋予所述锂硫电池正极材料具有高的能量密度。另外,由于所述复合碳颗粒本体为球形颗粒载硫骨架,且具有多孔结构,该多孔结构构成三维导电网络结构,在充放电过程中可以有效抑制多硫化物引发的穿梭效应,为所述锂硫电池正极材料体积膨胀提供了缓冲空间,从而有效提高所述锂硫电池正极材料循环稳定性。同时,所述锂硫电池正极材料能够构建高孔隙率极片,能提高极片的电解液浸润性,在高载硫下,能显著提高锂硫电池性能。本专利技术锂硫电池正极材料制备方法通过喷雾干燥制备具有三维多孔结构的球形形貌的复合碳颗粒本体,有效提高了其在热载硫处理中的载硫量,使得制备的锂硫电池正极材料不仅具有高的载硫量,还有效提高了锂硫电池正极材料在充放电过程中结构的稳定性,降低了穿梭效应。而且各步骤工艺易控制,能够保证制备的锂硫电池正极材料性能稳定,而且效率高。本专利技术锂硫电池正极和锂硫电池由于含有本专利技术锂硫电池正极材料,因此,所述锂硫电池正极和锂硫电池能量密度高,而且循环性能好,有效提高了锂硫电池的使用寿命。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式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,下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式,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为本专利技术实施例锂硫电池正极材料的制备方法的流程示意图;图2为本专利技术实施例11锂硫电池正极材料的SEM照片;图3为本专利技术实施例21在0.1C下不同循环次数的充放电曲线图;图4是实施例21~24和对比例21在0.1C下的循环性能图。图5是实施例21和对比例21~23在0.1C下的循环性能图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,以下所描述的实施例是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。结合本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本专利技术保护的范围。实施例中未注明具体条件者,按照常规条件或制造商建议的条件进行;所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市售购买获得的常规产品。在本专利技术的描述中,术语“和/或”,描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B的情况。其中A,B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。在本专利技术的描述中,“至少一个”是指一个或者多个,“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达,是指的这些项中的任意组合,包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如,“a,b,或c中的至少一项(个)”,或,“a,b,和c中的至少一项(个)”,均可以表示:a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c,其中a,b,c分别可以是单个,也可以是多个。需要理解的是,本专利技术实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量,也可以表示各组分间重量的比例关系,因此,只要是按照本专利技术实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本专利技术公开的范围之内。具体地,本专利技术实施例中所述的重量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。另外,除非上下文另外明确地使用,否则词的单数形式的表达应被理解为包含该词的复数形式。术语“包括”或“具有”旨在指定特征、数量、步骤、操作、元件、部分或者其组合的存在,但不本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料,其特征在于,包括复合碳颗粒本体,所述复合碳颗粒本体为球形,且具有三维多孔结构,所述复合碳颗粒本体包括碳纳米管和科琴黑,且所述碳纳米管与科琴黑混合分布;/n至少在所述复合碳颗粒本体的表面和所述三维多孔结构的孔隙表面沉积有硫单质。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料,其特征在于,包括复合碳颗粒本体,所述复合碳颗粒本体为球形,且具有三维多孔结构,所述复合碳颗粒本体包括碳纳米管和科琴黑,且所述碳纳米管与科琴黑混合分布;
至少在所述复合碳颗粒本体的表面和所述三维多孔结构的孔隙表面沉积有硫单质。


2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极材料,其特征在于,所述碳纳米管与科琴黑的质量比为(1~10):1;和/或
所述复合碳颗粒本体的孔容为0.5~5cm3/g;和/或
所述复合碳颗粒本体的载硫量为60-85wt%。


3.根据权利要求1-2任一项所述的锂硫电池正极材料,其特征在于,所述复合碳颗粒本体为微米颗粒;和/或
所述碳纳米管的管径为3~100nm。


4.根据权利要求3所述的锂硫电池正极材料,其特征在于,所述复合碳颗粒本体的粒径为1~50μm。


5.一种锂硫电池正极材料的制备方法,包括如下步骤:
将碳纳米管和科琴黑配制成混合碳分散液;
将所述混合碳分散液进行喷雾干燥处理,获得复合碳颗粒,所述复合碳颗粒为球形,且具有三维多孔结构;
将所述复合碳颗粒与单质硫进行混合处理,后于保护气氛中进行热载硫处理。


6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述喷雾干燥处理的喷...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈成猛戴丽琴苏方远王振兵赵桦
申请(专利权)人:中国科学院山西煤炭化学研究所
类型:发明
国别省市:山西;14

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1