一种双功能集流体及其制备方法和锂硫电池技术

本发明专利技术提供一种双功能集流体及其制备方法和锂硫电池

【技术实现步骤摘要】
一种双功能集流体及其制备方法和锂硫电池


[0001]本专利技术属于锂硫电池领域，涉及一种双功能集流体及其制备方法和锂硫电池
。

技术介绍

[0002]目前，清洁能源的开发和利用变得越来越迫切，基于石墨负极的传统锂离子电池已经难以满足电动汽车和智能电网技术的迅猛发展的需求
。
高容量负极成为下一代高能量密度电池系统迫切需要开发的电极材料
。
锂金属凭借其高的理论比容量
(3860mAh
·
g
‑1)、
最低的氧化还原电位
(
相对标准氢电极为
‑
3.04V)
和低的密度
(0.59g
·
cm
‑3)
，作为电池负极的“圣杯”材料持续受到研究者的广泛关注
。
锂金属作为负极，正极匹配单质硫
(
比容量
1675mAh
·
g
‑1)
的锂硫电池，其能量密度远高于商用锂电池，成为新一代二次电池的研究重点
。
正极所需要的硫元素在地壳中储存丰富，开采技术也十分成熟且价格低廉
。
这些优点使锂硫电池的发展与推广具有性能
、
资源和成本的明显优势
。
[0003]然而，由于正极硫和负极锂的物理化学性质及复杂的电化学反应过程等原因，锂硫电池存在着较多技术难题，使锂硫电池的商业化应用面临诸多挑战
。
首先，受正极含硫活性物质物理化学特性的影响，正极存在活性物质绝缘
、
放电体积膨胀以及多硫化锂
(LiPS)
溶解导致的“穿梭效应”的问题
。
其次，活泼的锂金属作为负极则普遍存在体积膨胀
、
锂枝晶生长
、“死锂”和不稳定固态电解质层
(SEI)
等问题
。
除此之外，为了实现高能量密度的目标，锂硫电池需要满足更多的要求，包括高硫含量
(>70wt.
％
)、
高面载硫量
(>5mg
·
cm
‑2)、
低负正极容量比
(
低
N/P
比
)
以及贫电解液
(
低
E/S
比
)
等，这也使以上的问题更加明显地暴露出来
。
[0004]CN110911682A
公开了一种锂硫电池的电极及其制备方法和应用
。
锂硫电池的电极包括集流体，集流体的表面依次设有微裂纹碳纳米管层
、
活性物质层
、
碳纳米管以及钛酸锂复合涂层，但是电极的制备方法过于复杂，且层数过多成本较高，不利于大规模化生产
。
[0005]CN113594415A
公开了一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法
。
钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜取代了传统铝箔，具有集流体的作用，其导电网状结构增大了与活性物质的接触面积，能够减少材料粉化脱落
。
但是采用钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维取代传统铝箔并不适用于工业大规模生产，目前只适用于实验室的研究
。
[0006]因此，如何工业化简单制备一种可抑制锂硫电池穿梭效应，并提高电池电化学性能的集流体，是本领域重要的研究方向
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种双功能集流体及其制备方法和锂硫电池，双功能集流体可用于电池正负极两侧，集流体具有亲锂原子的性质，用来诱导锂离子的均匀沉积，从而提高无枝晶锂负极的库伦效率，提高电池的循环寿命；双功能集流体对含硫活性物质具有高效的吸附和催化作用，可以改善电池反应动力学并提升正极硫的利用率，对高能量密度高稳定性电池的开发具有一定的促进和指导作用
。
[0008]本专利技术目的之一在于提供一种双功能集流体的制备方法，所述双功能集流体的制备方法包括：
[0009]将酸化后的三维碳基体置于过渡金属阳离子盐溶液中进行水热反应，烘干后得到前驱体，对所述前驱体进行磷化处理得到所述双功能集流体
。
[0010]本专利技术制备得到双功能集流体是一种基体表面改性处理后的集流体，本专利技术中三维碳基体为高比表面积的三维碳材料，对高比表面积的三维碳材料进行基体表面改性，不仅可以有效提升电池导电性并缓解充放电过程中电极的体积膨胀，还可以降低负极电流密度缓解锂枝晶的生长，有效地兼顾固硫和提升集流体亲锂性的作用，双功能集流体可用于电池正负极两侧，提高了电池的正负电极性能
。
[0011]本专利技术中双功能集流体在锂硫电池中可以有效地提升正极硫的利用率和加速
LiPS
转化，降低
N/P
比和提升锂金属负极稳定性，实现锂硫电池的高能量密度
。
[0012]作为本专利技术优选的技术方案，所述酸化为将三维碳基体浸泡在酸性溶液中酸化
。
[0013]优选地，所述酸化后用水进行第一清洗至清洗液为中性
。
[0014]优选地，所述三维碳基体包括商用碳布
、
碳纸
、
碳化棉布或同轴纺丝碳膜中的任意一种
。
[0015]优选地，所述酸性溶液包括硝酸溶液
。
[0016]优选地，所述硝酸溶液的浓度为2～
4M
，其中所述浓度可以是
2M、2.2M、2.4M、2.6M、2.8M、3.0M、3.2M、3.4M、3.6M、3.8M
或
4M
等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用
。
[0017]优选地，所述酸化在反应釜中进行
。
[0018]优选地，所述酸化的温度为
140
～
160℃
，其中所述温度可以是
140℃、142℃、144℃、146℃、148℃、150℃、152℃、154℃、156℃、158℃
或
160℃
等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用
。
[0019]优选地，所述酸化的时间为5～
7h
，其中所述时间可以是
5h、5.2h、5.4h、5.6h、5.8h、6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h
或
7h
等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用
。
[0020]作为本专利技术优选的技术方案，所述水热反应的溶剂包括去离子水
、
甲醇
、
乙醇或
DMF
中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：水和甲醇的组合
、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双功能集流体的制备方法，其特征在于，所述双功能集流体的制备方法包括：将酸化后的三维碳基体置于过渡金属阳离子盐溶液中进行水热反应，烘干后得到前驱体，对所述前驱体进行磷化处理，得到所述双功能集流体
。2.
根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸化为将三维碳基体浸泡在酸性溶液中酸化；优选地，所述酸化后用水进行第一清洗至清洗液为中性；优选地，所述三维碳基体包括商用碳布
、
碳纸
、
碳化棉布或同轴纺丝碳膜中的任意一种；优选地，所述酸性溶液包括硝酸溶液；优选地，所述硝酸溶液的浓度为2～
4M
；优选地，所述酸化在反应釜中进行；优选地，所述酸化的温度为
140
～
160℃
；优选地，所述酸化的时间为5～
7h。3.
根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的溶剂包括水
、
甲醇
、
乙醇或
DMF
中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述过渡金属阳离子盐溶液中的过渡金属阳离子盐包括硝酸铁
、
硝酸镍
、
硝酸钴
、
氯化铁
、
硫酸镍或醋酸钴中的任意一种或至少两种的组合
。4.
根据权利要求1‑3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为
120
～
200℃
；优选地，所述水热反应的时间为5～
7h。5.
根据权利要求1‑4任一项所述的制备方法，其特征在于，用水对所述水热反应产物进行第二清洗后再进行所述烘干；优选地，所述第二清洗的次数
≥2
次；优选地，所述烘干的温度为
5...

【专利技术属性】
技术研发人员：侠光，陈立桅，沈炎宾，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：