具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种互嵌式双层结构锂硫电池正极：在硫正极表面上由表及里是由纳米级催化剂组成的催化剂层和由催化剂、粘结剂、导电剂和硫碳复合物组成的混合层；制备方法：通过调节涂布浆料的粘度、催化剂与活性物质的粒径比和涂布干燥速率，利用浮力竞争机制来一步形成具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极。催化剂层利用物理阻挡作用和化学吸附效应来缓解或阻止多硫化物因“穿梭效应”而造成的容量损失，提高锂硫电池的容量保持率和库伦效率；混合层中的催化剂通过化学吸附效应和催化转化机制，改善活性硫的利用率和转化效率，从而提高了锂硫电池的放电比容量和倍率性能。此方法简单易操作，适合工业化生产。适合工业化生产。适合工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种可提高锂硫电池的比容量、库伦效率和循环寿命的具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极。本专利技术还涉及所述锂硫电池正极的制备方法，应用于锂硫电池等新能源领域。

技术介绍

[0002]随着新能源汽车产业的飞速发展，日益增长的电动车数量和相应的充电设施的极度不匹配，使得市场对于高能量密度电池的诉求也越来越强烈，传统锂离子电池正极材料的能量密度已经接近理论值，将无法满足未来市场应用的要求。特别是“碳达峰”和“碳中和”终极目标的提出，新能源汽车市场将进一步快速地扩张，寻求更高能量密度的新体系电池已经势在必行。而硫因其储量大、价格便宜、环境友好、易于回收，并且具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和理论比能量(2600Wh/kg)，所以锂硫电池被认为是能量密度最先达到500Wh/kg以上的热门电池体系之一。但是，因为硫本身导电性差，而且在充放电过程易产生“穿梭效应”，这些都影响了锂硫电池的进一步应用和发展。目前，国内外很多科研院所和企业都在致力于锂硫电池的研发。常用的方法是通过导电材料提高硫的利用率；利用多孔材料对多硫化物的固定和吸附，利用化学键与多硫化物的配位作用，利用包覆和功能隔膜的物理化学阻挡作用等方式来减少锂硫电池的“穿梭效应”，改善锂硫电池的放电比容量和循环寿命。虽然已经取得了不错的成效，但是这些方法或工艺复杂、或成本较高，都难以大规模制备，不利于工业化生产和应用。
[0003]所以，开发一种操作简单、施行度高且性能优异的锂硫电池正极及其制备方法显得尤为重要，锂硫电池正极的规模化制备，对锂硫电池的工业化发展，乃至对推动新能源汽车产业化进程都具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的第一个技术问题，就是提供一种互嵌式双层结构锂硫电池正极。
[0005]本专利技术所要解决的第二个技术问题，就是提供上述互嵌式双层结构锂硫电池正极的制备方法。
[0006]采用本专利技术的制备方法制备的互嵌式双层结构锂硫电池正极，工艺简单、操作方便、成本较低、性能优异且易于工业化生产。
[0007]解决上述第一个技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极，其特征是：为在硫正极表面上由表及里覆盖有由纳米级催化剂组成的催化剂层和由催化剂、粘结剂、导电剂和硫碳复合物组成的混合层。
[0009]所述的催化剂层厚度为0.1微米～2微米，所述的催化剂为硫化钴、硫化钼、硫化镍或硫化硒中的一种，其粒径与硫碳复合物的粒径比为1:100～1:1000、在硫正极中(不含基
材)的质量占比为2％～5％。
[0010]硫正极表层的催化剂层，利用物理阻挡作用和化学吸附效应来缓解或阻挡多硫化物因“穿梭效应”而造成的容量损失，提高电池的容量保持率和库伦效率；分散在混合层的催化剂通过化学吸附作用和催化转化机制，改善活性硫的利用率和转化效率，从而提高了锂硫电池的放电比容量和倍率性能。
[0011]解决上述第二个技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0012]一种上述锂硫电池正极的制备方法，其特征在于：通过常规的涂布工艺，利用浮力竞争机制来实现互嵌式双层结构硫正极的制备。
[0013]优选地，所述的制备方法具体包括以下步骤：
[0014]步骤1.把导电碳材料和单质硫按照一定的质量比放入到球磨罐中进行物理混合，球磨结束后，把混合物倒入到水热反应釜中，放于温度为160度～180度的恒温干燥箱内静置10～15小时，等到自然冷却后，即可得到硫碳复合物；
[0015]步骤2.把催化剂和粘结剂按照一定比例放入到水溶剂中进行搅拌混合，搅拌均匀后，再依次加入导电剂和硫碳复合物进行充分搅拌，搅拌均匀后待用；通过调节水溶剂的含量来控制浆料的粘度；
[0016]步骤3.使用制备好的浆料，利用涂布机完成其在正极箔材表面的涂覆，再通过真空干燥处理，最终得到锂硫电池正极；通过在涂布过程中调节干燥速率来实现催化剂层的厚度和催化剂在混合层内部的分布情况。
[0017]所述的硫碳复合物为单质硫和导电碳材料的复合物，硫的含量为60％～70％,硫碳复合物在硫正极中(不含基材)的质量占比为75％～90％。
[0018]所述的导电碳材料为乙炔黑、导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、氧化石墨烯和石墨烯其中的一种。
[0019]所述的粘结剂为羧甲基纤维素锂、羧甲基纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚丙烯酸锂、壳聚糖、葡萄糖和聚丙烯酸酯中的一种或两种，粘结剂的总质量在硫正极中(不含基材)的质量占比为4％～10％。
[0020]所述的导电剂为碳纳米管、碳纳米纤维、氧化石墨烯和石墨烯中的一种，其在硫正极中(不含基材)的质量占比为3％～10％。
[0021]本专利技术的原理：采用常规的涂布工艺，利用浮力竞争机制让粒径比相差悬殊的颗粒通过浆料粘度和干燥速率的调节来控制上升速率，最终粒径较小的粒子悬浮在硫正极的表层，多余的小粒子与较大的颗粒混排在下层，形成了具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极。本申请利用粒径比为1:100～1:1000的纳米催化剂与硫碳复合物，以及大尺寸的一维或二维的导电剂，通过调节浆料的粘度和涂布时的干燥速率，使得粒径最小的催化剂通过浮力作用，最快和最多地聚集在硫正极的表层，形成具有催化剂层和由催化剂、导电剂、硫碳复合物和粘结剂组成混合层的互嵌式结构的硫正极。表层的催化剂层利用物理阻挡作用和化学吸附效应来缓解多硫化物因“穿梭效应”而造成的容量损失，提高电池的容量保持率和库伦效率；分散在混合层的催化剂通过化学吸附作用和催化转化机制，改善活性硫的利用率和转化效率，从而提高了锂硫电池的放电比容量和倍率性能。且所述的互嵌式双层结构的锂硫电池正极的制备方法简单，易于工业化生产，对高能量密度的锂电池的工业化应用起到了一定的推动作用。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)制备方法简单，通过简单地涂布工艺与浮力竞争机制相结合，一步即可得到所需的互嵌式双层结构锂硫电池正极；(2)效果显著，通过催化剂层的物理阻挡、化学吸附和催化转化的协同效应，可有效地提高锂硫电池的比容量、库伦效率、倍率性能和循环寿命；(3)操作方便成本较低，易于工业化生产。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的锂硫电池正极结构示意图；
[0024]图2是对比例1中没有使用浮力竞争机制涂布的硫正极所制备的软包电池在0.2C倍率条件下的循环性能图；
[0025]图3是实施例1中使用浮力竞争机制涂布的硫正极所制备的软包电池在0.2C倍率条件下的循环性能图。
[0026]图中附图标记指代：1
‑
催化剂层；2
‑
混合物层；3
‑
铝箔。
具体实施方式
[0027]下面通过示例性的实施例具体说明本专利技术。
[0028]图1所示为本专利技术的具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极实施例的结构，在硫正极表面由表及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极，其特征是：为在硫正极表面上由表及里覆盖有由纳米级催化剂组成的催化剂层和由催化剂、粘结剂、导电剂和硫碳复合物组成的混合层。2.根据权利要求1所述的具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极，其特征是：所述的催化剂为硫化钴、硫化钼、硫化镍或硫化硒中的一种，其粒径与硫碳复合物的粒径比为1:100～1:1000，其在硫正极中(不含基材)的质量占比为2％～5％，催化剂层的厚度为0.1微米～2微米。3.根据权利要求1所述的具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极，其特征是：所述的硫碳复合物为单质硫和导电碳材料的复合物，硫的含量为60％～70％,硫碳复合物在硫正极中(不含基材)的质量占比为75％～90％。4.根据权利要求1所述的具有互嵌式双层结构的锂硫电池正极，其特征是：所述混合层中的粘结剂为羧甲基纤维素锂、羧甲基纤维素、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚丙烯酸锂、壳聚糖、葡萄糖和聚丙烯酸酯中的一种或两种，粘结剂的总质量在硫正极中(不含基材)的质量占比为4％～10％。5.根据权利要求1所述的锂硫电池正极，其特征是：所述混合层中的导电剂为碳纳米管、碳纳米纤维、氧化石墨烯和石墨烯中的一种，其在硫正极中(不含基材)的质量占比为3％～10％。6.一种如权利要求1

【专利技术属性】
技术研发人员：徐辉，陈申，覃旭松，陈国华，
申请(专利权)人：深圳启辰新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：