锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池。所述制备方法包括：1)使单质硫进入导电碳材料内部，获得正极材料前驱体；所述导电碳材料具有多孔结构；2)在保护性气氛中对所述正极材料前驱体施加电流，进行焦耳热处理，以使所述单质硫在导电碳材料内部均匀熔融扩散，获得锂硫电池正极材料。本发明专利技术所提供的锂硫电池正极材料的制备方法过程简单，且制备效率高，同时节约能源并且免了产生有毒有害物质和不期望的杂质，制备过程绿色环保，且制得的正极材料纯度高，能够直接作为锂硫电池的正极，大大减轻了锂硫电池的重量，提升了锂硫电池的比容量。锂硫电池的比容量。锂硫电池的比容量。

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池


[0001]本专利技术涉及电极材料制备
，尤其涉及一种锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池。

技术介绍

[0002]随着全球对能源需求的不断增多，化石燃料的消耗将会增加。这将给世界不可再生能源储备带来越来越大的压力，也将对气候环境造成一定的影响。电能储存系统可以更广泛地使用间歇的可再生能源发电机(风能、太阳能、海浪)，并减少用于运输的化石燃料的消耗。传统的锂电池的理论能量密度较低，无法满足电动/插电式混合动力汽车对能量越来越高的需求。因此，必须开发更高能量密度的新型储能电池。而单质硫在自然界中的储量丰富、价格低廉，因此具有高能量密度的锂硫电池的研究越来越广泛。
[0003]锂硫电池正极材料是由多孔导电碳材料和单质硫两部分组成。常见的多孔导电碳材料有：多孔碳球、碳纳米管粉末、碳化物金属核壳结构、MXene等。将单质硫熔融至多孔导电碳材料的工艺有：1、熔融扩散法，将多孔碳材料粉末与单质硫粉末充分研磨，通过155℃加热再降至室温，使硫单质硫升华融入至多孔碳中得到硫/碳复合材料。2、化学原位合成法，将碳基体与含硫溶液(如Na2S和Na2SO3溶液)混合，然后通过化学反应将硫沉淀到碳基体中从而得到硫/碳复合材料。3、水热反应融硫法，在水热环境中，硫具有高的流动性、均匀的分散性、疏水性和碳亲和性，经过十多个小时的水热处理，硫可以选择性地扩散到碳宿主的孔隙中，从而制得硫/碳复合材料。
[0004]目前锂硫电池正极的融硫方式主要是通过155℃熔融扩散法进行，此外还有化学原位合成法，水热反应融硫法等也有相应的研究。如滑铁卢大学的Ji等人(A highly ordered nanostmctured carbon
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sulphur cathode for lithium
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sulphur batteries，Nat.Mater.，2009，8，500)采用155℃熔融扩散策略制备了中孔碳/硫纳米复合材料，并将含硫量提升至70％。并将这种硫/碳复合材料作为锂硫电池正极研究，获得了较高的初始放电容量1320mAh/g。此外，化学原位合成法通过将碳基体与含硫溶液(如Na2S和Na2SO3溶液)混合，然后通过化学反应将硫沉淀到碳基体中。加州大学伯克利分校的Rao等(Nano
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carbon/sulfur composite cathode materials with carbon nanofiber as electrical conductor for advanced secondary lithium/sulfur cells，J.Power Sources，2012，205，474)采用Na2S溶液法将硫沉淀到多孔碳中获得了70wt％以上的高硫利用率，但同时产生了大量有毒副产物H2S。此后，德克萨斯大学奥斯汀分校Su等人(A facile in sim sulfur deposition route to obtain carbon
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wrapped sulfur composite cathodes for lithium
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sulfur batteries，Electrochim.Acta，2012，77，272)提出了利用Na2SO3溶液化学还原合成硫/碳化合物。该方法虽然没有H2S释放出来，但是产生了较多的SiO2等副产物。中国科学院大学Chen等人(A novel facile and fast hydrothermal
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assisted method to synthesize sulfur/carbon composites for high
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performance lithium
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sulfur batteries，RSC Adv.，2016，6，81950)首先提出了水热辅助硫浸渍法制备硫/碳复
合材料用于锂硫电池。在水热环境中，硫具有较高的流动性、分散性、疏水性和碳亲和性，可以选择性地扩散到碳宿主的孔隙中。
[0005]上述现有技术中，熔融扩散法制备硫/碳复合材料，其效率较低，需要首先将碳材料粉末与单质硫粉末充分研磨，然后在马弗炉中155℃保温12h以上，而马弗炉的升温与降温本身也需要花费大量时间。制备好的硫/碳复合材料用石墨烯浆料或者PVDF研磨刮覆在铝箔上一般需要在60℃下干燥10h左右，因此在制备锂硫电池正极材料时会花费大量的时间，导致效率降低。
[0006]化学原位合成法，一般是将碳基体与含硫溶液(如Na2S和Na2SO3溶液)混合，然后通过化学反应将硫沉淀到碳底物中。由于含硫溶液的选取不同在化学反应时会产生有毒副产物H2S或者其他硫化物等副产物，影响了硫/碳复合材料的纯度。
[0007]水热反应融硫法，利用硫在水热环境中的流动性、分散性、疏水性和碳亲和性，将硫融入碳宿主的孔隙中，制备硫/碳复合材料。虽然这种方法不会产生一些副产物，但是其需要数小时水热反应时间，效率较低；其次水热反应得到的硫/碳复合材料中硫的均匀性也存在问题。
[0008]因此，开发一种快速、高效、廉价且绿色环保的锂硫电池正极材料的制备方法对于新能源电池的发展至关重要。

技术实现思路

[0009]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池。
[0010]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0011]第一方面，本专利技术提供锂硫电池正极材料的制备方法，包括：
[0012]1)使单质硫进入导电碳材料内部，获得正极材料前驱体；所述导电碳材料具有多孔结构；
[0013]2)在保护性气氛中对所述正极材料前驱体施加电流，进行焦耳热处理，以使所述单质硫在导电碳材料内部均匀熔融扩散，获得锂硫电池正极材料。
[0014]第二方面，本专利技术还提供一种上述制备方法制得的锂硫电池正极材料，包括多孔的导电碳材料以及均匀分布于所述导电炭材料内部的单质硫。
[0015]第三方面，本专利技术还提供一种锂硫电池，其至少由正极片，电解液，隔膜，负极金属锂片依次按顺序组装制得，所述正极片包括上述锂硫电池正极材料。
[0016]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0017]本专利技术所提供的锂硫电池正极材料的制备方法过程简单，且制备效率高，同时节约能源并且免了产生有毒有害物质和不期望的杂质，制备过程绿色环保，且制得的正极材料纯度高，能够直接作为锂硫电池的正极，大大减轻了锂硫电池的重量，提升了锂硫电池的比容量。
[0018]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0019]图1是本专利技术一典型实施案例提供的锂硫电池正极材料的制备方法的设备结构示意图；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括：1)使单质硫进入导电碳材料内部，获得正极材料前驱体；所述导电碳材料具有多孔结构；2)在保护性气氛中对所述正极材料前驱体施加电流，进行焦耳热处理，以使所述单质硫在导电碳材料内部均匀熔融扩散，获得锂硫电池正极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)具体包括：使单质硫溶解于有机溶剂中，获得硫溶液，所述有机溶剂能够与所述导电碳材料浸润；将所述导电碳材料置于硫溶液中，去除所述有机溶剂，获得所述正极材料前驱体；或者，使所述导电碳材料与硫蒸气接触，以使所述硫蒸气中的硫扩散进入所述导电碳材料内部，获得所述正极材料前驱体；优选的，通过对所述导电碳材料施加电流产生焦耳热以使固态的单质硫蒸发而获得所述硫蒸汽。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括二硫化碳、硫醚以及噻吩中的一种或两种以上的组合。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述硫溶液的温度为60
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80℃；和/或，所述硫溶液的浓度为0.6
‑
0.8g/L。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡成，龙涛，徐斌，刘虎，李舒琳，张永毅，
申请(专利权)人：江西省纳米技术研究院，
类型：发明
国别省市：