聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用。所述聚醚醚酮基阴离子交换材料中离子交换官能团为季铵基、N

【技术实现步骤摘要】
聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用
一、
：
[0001]本专利技术属于锂硫电池
，具体涉及一种聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用。
二、
技术介绍
：
[0002]为了满足人类日益增长的能源需求，缓解滥用化石能源带来的环境问题，近年来积极发展绿色环保的可再生能源技术。然而，风能、光能等可再生能源的随机性和波动性不仅会导致严重的能量浪费，还极易对电网的稳定性产生冲击。为了实现可再生能源的充分利用，提升电网的安全可靠运行能力，发展高效、稳定、安全的储能技术尤为重要。
[0003]在众多储能技术中，以锂离子电池为代表的电化学储能系统凭借受地理位置影响较小、可灵活配置及建设周期短等优势，逐渐成为新增装机主流。但是，随着锂离子电池的实际能量密度逐渐接近其理论可到达的极限值，锂离子电池未来将难以满足人们对于储能的需求，开发能量密度高于锂离子电池的新型二次电池体系势在必行。
[0004]近年来，各种新型电化学储能体系不断涌现，其中，锂硫电池凭借较高的能量密度(2600Wh kg
‑1)、较低的材料成本(单质硫价廉易得)以及环境友好等特性再次受到研究者们的青睐。然而，锂硫电池在具备出色潜在性能的同时其正极也存在一些亟待解决的问题：(1)穿梭效应：中间产物多硫化锂在正负极之间的反复穿梭不仅会造成活性物质硫的大量损失，还会腐蚀金属锂负极，导致锂硫电池的库伦效率降低、容量迅速衰减；(2)由于硫与放电产物Li2S之间的密度差异，硫正极在循环过程中会产生较大的体积膨胀和收缩(膨胀率可达80％)，从而导致硫正极的机械稳定性较差。
[0005]粘结剂作为硫正极的重要组成部分之一，虽然其在硫正极中所占比重较小(一般≤15wt％)，但却对电池的电化学性能有着至关重要的影响。因此，近年来，越来越多的研究者们逐渐重视粘结剂的研究和开发。例如：专利技术专利申请CN110797537A，公开了一种锂硫电池粘结剂及其制备方法，然而由于该粘结剂结构中的功能基团对多硫化锂的吸附能力较弱，经过长期循环后，活性物质硫仍会从正极中溶解、丢失，从而导致电池库伦效率降低、电池循环性能恶化等一系列问题。因此，开发一种具有强的多硫化锂吸附作用、高稳定性、机械性能良好、低成本且可实用化的新型粘结剂仍是相当具有挑战性。
三、
技术实现思路
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[0006]本专利技术要解决的技术问题是：为了解决锂硫电池中硫正极所面临的多硫化锂的穿梭效应、电极结构机械稳定性较差等技术难题，本专利技术提供一种聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用。本专利技术技术方案采用与多硫化物有强静电相互作用的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘结剂，不但有效抑制了硫正极中多硫化锂的溶解和穿梭，提高了活性物质硫的利用率，而且还具备优异的力学性能和动力学加速作用，从而可以有效缓冲硫正极的体积应变和促进电子/离子的传输。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术采取的技术方案是：
[0008]本专利技术提供一种聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用。
[0009]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述聚醚醚酮基阴离子交换材料中离子交换官能团为季铵基、N
‑
甲基咪唑基、吡啶基、N
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甲基吡咯烷基、N
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甲基吗啉基和N
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甲基哌啶基中的任一种，所述官能团的含量为0.5～2.5mmol/g。
[0010]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述聚醚醚酮基阴离子交换材料为季铵基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
‑
甲基咪唑基聚醚醚酮阴离子交换材料、吡啶基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
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甲基吡咯烷基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
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甲基吗啉基聚醚醚酮阴离子交换材料或N
‑
甲基哌啶基聚醚醚酮阴离子交换材料。
[0011]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述锂硫电池硫正极是通过以下方法制备而成：
[0012]a、首先按照活性物质70～85％、粘结剂10～15％和导电剂5～15％的质量百分含量配比进行配料；
[0013]b、将配制的活性物质、粘接剂和导电剂进行研磨混合，混合后加入N
‑
甲基吡咯烷酮或无水乙醇搅拌均匀，所述N
‑
甲基吡咯烷酮或无水乙醇的加入量为三种原料总重量的20～50％，搅匀后得到正极材料浆液；
[0014]c、将所得正极材料浆液涂覆在集流体上，然后依次进行干燥、辊压、裁剪，得到锂硫电池硫正极。
[0015]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述活性物质为碳材料和单质硫的复合物，硫含量为30～60wt％；所述碳材料为活性炭、活性炭纤维、碳纳米管或石墨烯。
[0016]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述导电剂为Super P、乙炔黑、科琴黑和石墨中的任一种。
[0017]根据上述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，所述集流体为铜箔、铝箔、碳纸、碳布和钛箔中的任一种。
[0018]本专利技术的积极有益效果：
[0019]1、本专利技术技术方案中，以与多硫化物具有强静电作用的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为锂硫电池硫正极粘结剂，以抑制硫在充放电过程中生成的多硫化锂中间产物的溶解与穿梭，从而避免活性物质硫的损失及快速的容量衰减等问题，极大改善了锂硫电池的电化学性能。
[0020]2、利用本专利技术技术方案制备的锂硫电池硫正极在库伦效率、循环寿命和倍率性能方面均表现出优异的性能。
[0021]3、本专利技术技术方案中采用的阴离子交换材料具有工业基础，可使用现有工业基础开发材料，并且它们价廉易得、环境友好，可满足大量制备的要求。
[0022]4、本专利技术技术方案中聚醚醚酮基阴离子交换材料粘结剂不仅可以用于锂硫电池领域，还可以应用于钠硫电池、钾硫电池等非锂电池体系，应用范围广。
[0023]综上所述，本专利技术具有显著的经济效益和社会效益。
四、附图说明：
[0024]图1为本专利技术实施例1所采用的季铵基聚醚醚酮阴离子交换材料的红外光谱图；
[0025]图2为利用本专利技术实施例1
‑
4和对照例制备的硫正极组装的电池的循环性能图(电流密度为0.5C，1C＝1675mAh g
‑1)；
[0026]图3为利用本专利技术实施例1
‑
4和对照例制备的硫正极组装的电池的倍率性能图(电流密度从0.1、0.2、0.5、1、2、3C依次变化，1C＝1675mAh g
‑1)。
五、具体实施方式：
[0027]以下结合实施例进一步阐述本专利技术，但并不限制本专利技术技术方案保护的范围。
[0028]以下实施例中采用的各种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用。2.根据权利要求1所述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，其特征在于：所述聚醚醚酮基阴离子交换材料中离子交换官能团为季铵基、N
‑
甲基咪唑基、吡啶基、N
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甲基吡咯烷基、N
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甲基吗啉基和N
‑
甲基哌啶基中的任一种，所述官能团的含量为0.5～2.5mmol/g。3.根据权利要求2所述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，其特征在于：所述聚醚醚酮基阴离子交换材料为季铵基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
‑
甲基咪唑基聚醚醚酮阴离子交换材料、吡啶基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
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甲基吡咯烷基聚醚醚酮阴离子交换材料、N
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甲基吗啉基聚醚醚酮阴离子交换材料或N
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甲基哌啶基聚醚醚酮阴离子交换材料。4.根据权利要求1所述的聚醚醚酮基阴离子交换材料作为粘接剂在锂硫电池硫正极中的应用，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴波，袁开，张明，乔昕，方逸尘，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：