一种具有导电吸附层的锂硫电池及导电聚合物薄膜的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种具有导电吸附层的锂硫电池及导电聚合物薄膜的应用，该锂硫电池包括含硫正极片、隔膜、锂负极片，在含硫正极片和隔膜之间设有导电吸附层；应用是由导电聚合物、导电剂和粘接剂制成的导电聚合物薄膜作为导电吸附层设置在锂硫电池的含硫正极片和隔膜之间应用于制备锂硫电池，制得的锂硫电池具有高比容量、高库伦效率和循环寿命长的特点，并且导电聚合物薄膜的原料成本低，制备方法简单，可以工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
—种具有导电吸附层的锂硫电池及导电聚合物薄膜的应用
本专利技术涉及一种具有导电吸附层的锂硫电池及导电聚合物薄膜的应用，属于锂硫电池体系
。
技术介绍
硫最早于1962年被提出可以用于电池正极材料，而后出现了最早的L1-S电池。当被应用于二次锂电池时，假设放电过程中完全生成Li2S，则硫的理论比容量为1672mAh g_S理论放电电压为2.287V，二次锂硫电池的电极理论能量密度为2600Wh kg_S是目前已知的除锂氧以外能量密度最高的二次锂电池体系。典型的二次锂硫电池放电过程中存在两个放电平台。第一个放电平台为2.4~2.1V，在此过程中单质硫转化为高价态聚硫离子Sn2_(5≤η≤8);第二个放电平台为2.1~1.5V,在这个过程中高价态聚硫离子继续被还原成低价态聚硫离子Sn2_(2 < η < 4)和Li2S。研究结果表明，充放电过程中产生的中间产物聚硫离子特别是高价态聚硫离子易溶于有机电解液，当其扩散至锂负极发生副反应生成不可逆的硫化锂以后会严重影响二次锂硫电池的循环性能。如果中间产物聚硫离子迁移到负极与金属锂反应发生自放电，然后再迁移到正极，则会发生二次锂硫电池的内循环，即所谓的“穿梭”现象，这一过程会使得电池的库伦效率降低。另外，单质硫及其放电产物的绝缘性会造成电极中活性物质利用率较低。由于硫与多硫化锂的密度不同，使得充放电过程中电极活性物质体积变化较大，容易造成电极结构恶化等问题。这些问题都制约了二次锂硫电池的性能提高。近年来,为解决硫电极的这些问题，人们从制备碳硫复合材料、电极结构设计改进等角度对解决这些问题进行了很多有益的探索。目前通常是将单质硫负载(装填、附着、混合、外延生长、包覆等)到各类具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能特征的碳素类材料中，形成复合材料，以限制循环过程中多硫化物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。例如，硫/中空碳球的复合材料(Angew.Chem.1nt.Ed.，2011，50，5904-5908.)，硫/碳纳米管的复合材料(Nano Letter, 2011, 11, 4288-4294.),硫 / 介孔球的复合材料(Angew.Chem.1nt.Ed.2012, 51, 3591 - 3595),硫 / 氧化石墨烯的复合材料(J.Am.Chem.Soc.2011，133，18522 - 18525.)等碳硫复合材料，这些材料很大程度上改善了锂硫电池的电化学性能。但是，受碳材料本身导电性、孔容、比表面积的限制，普遍存在库仑效率低、副反应高导致循环寿命短等问题；并且存在制作相对复杂和成本高的问题，使得锂硫二次电池难以实现工业化生产。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中含硫正极的锂硫电池存在库仑效率低、因副反应而导致循环寿命短、使用成本高等问题，目的是在于提供一种具有比容量高、库伦效率高、循环寿命长、成本低等特点的锂硫电池，该电池制作简单、成本低廉、可大规模工业化生产。本专利技术的另一个目的是在于提供导电聚合物薄膜的应用，将导电聚合物薄膜设置在锂硫电池的含硫正极片和隔膜之间作为导电吸附层制得的锂硫电池具有高比容量、高库伦效率和循环寿命长的特点，且使用成本低。本专利技术提供了一种具有导电吸附层的锂硫电池，包括含硫正极片、隔膜、锂负极片，在含硫正极片和隔膜之间设有导电吸附层；所述的导电吸附层是将导电聚合物、导电剂和粘接剂按质量比5?8:1?4:1?4制成的厚度为0.1?2.0mm的导电聚合物薄膜。所述的导电聚合物薄膜通过以下方法制备得到:将导电聚合物、导电剂和粘接剂在溶剂中混合形成固含量为20?80%的浆料，碾压成膜后，在50?100°C真空干燥10?20h,即得。所述的导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚并苯、聚对苯乙炔、聚乙炔、聚对苯乙烯撑中的一种或几种。所述的导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的一种或几种。所述的粘接剂为聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、海藻酸钠中的一种或几种。本专利技术还提供了一种导电吸附聚合物薄膜的应用，该应用是将导电聚合物、导电剂和粘接剂制成的导电聚合物薄膜设置在锂硫电池的含硫正极片和隔膜之间作为导电吸附层应用于锂硫电池的制备。所述的导电聚合物、导电剂和粘接剂质量比为5?8:1?4:1?4。所述的导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚并苯、聚对苯乙炔、聚乙炔、聚对苯乙烯撑中的一种或几种；所述的导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的一种或几种；所述粘接剂为聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、海藻酸钠中的一种或几种。所述的导电聚合物薄膜厚度为0.1?2.0mm。所述的导电聚合物薄膜通过以下方法制备得到:将导电聚合物、导电剂和粘接剂在溶剂中混合形成固含量为20?80%的浆料，碾压成膜后，在50?100°C真空干燥10?20h,即得。所述的溶剂为去离子水、乙醇、NMP中的一种或几种。本专利技术的锂硫电池可以采用的电解液为非水电解液，电解液溶剂为碳酸乙烯酯、二甲基碳酸酯和碳酸甲乙酯混合溶剂，或者为二氧戊环和四乙二醇二甲醚混合溶剂，电解液溶质为六氟磷酸锂或三氟甲基磺酸锂。所述的隔膜为多孔隔膜，为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯中的一种材料制成。[0021 ] 所述的含硫正极极片中活性物质硫的质量百分含量为10%?90%。本专利技术的具有导电吸附层的锂硫电池的制备方法，包括以下步骤:(I)制备导电聚合物薄膜:将导电聚合物、导电剂和粘接剂按5?8:1?4:1?4的质量比在溶剂中混合均匀，加入少量的去离子水和乙醇，通过水浴加热搅拌I?5h，形成固含量为20?80%的浆料，然后将浆料在对辊机上反复碾压成厚度为0.1?2.0mm的薄膜，置于真空干燥箱中在50?100°C干燥10?20h，得到导电聚合物薄膜；(2)制备锂硫电池:含硫正极极片上面依次放置步骤(I)所得的导电聚合物薄膜、隔膜、锂负极片以及泡沫镍网，注入电解液，再压制成一体，密封好后，得到锂硫电池。本专利技术的有益效果:本专利技术首次将导电聚合物、导电剂和粘接剂混合制成的导电聚合物薄膜作为导电吸附层设置在锂硫电池的含硫正极片和隔膜之间，意外发现制得的锂硫电池具有较高的比容量及优异的库伦效率和循环稳定性。本专利技术在锂硫电池的研究中意外发现:将导电聚合物、导电剂和粘接剂按一定的质量比制备的导电聚合物薄膜设置在含硫正极片和隔膜之间，该导电聚合物薄膜一方面对含硫正极片的导电性起到辅助作用，大大增加了硫正极的导电作用；另一方面能很好吸附溶解在电解液中的多硫化物，抑制“穿梭效应”；同时，导电聚合物薄膜具有良好的弹性和柔韧性，能缓冲硫正极在充放电时产生的体积膨胀，从而有效提高了硫锂电池的库伦效率和循环性能。研究表明:本专利技术的锂硫电池在0.2C (335mA/g)的电流密度下，第一次放电比容量在1350~1560mAh/g之间，100次循环后放电比容量在860~960mAh/g之间，而库伦效率将近100%。此外，导电聚合物薄膜原料廉价，制备方法简单，可以工业化生产。【附图说明】【图1】为实施例1得到的导电聚合物聚苯胺(PANI)吸附层的SEM图。【图2】为实施例1得到的锂硫电池结构示意图。【图3】为实施例1得到的锂硫电池与未设置导电吸附层的锂硫电池在0.2C(335m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有导电吸附层的锂硫电池，包括含硫正极片、隔膜、锂负极片，其特征在于，在含硫正极片和隔膜之间设有导电吸附层；所述的导电吸附层是将导电聚合物、导电剂和粘接剂按质量比5～8:1～4:1～4制成的厚度为0.1～2.0mm的导电聚合物薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有导电吸附层的锂硫电池，包括含硫正极片、隔膜、锂负极片，其特征在于，在含硫正极片和隔膜之间设有导电吸附层；所述的导电吸附层是将导电聚合物、导电剂和粘接剂按质量比5?8:1?4:1?4制成的厚度为0.1?2.0mm的导电聚合物薄膜。2.如权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述的导电聚合物薄膜通过以下方法制备得到:将导电聚合物、导电剂和粘接剂在溶剂中混合形成固含量为20?80%的浆料，碾压成膜后，在50?100°C真空干燥10?20h，即得。3.如权利要求2所述的锂硫电池，其特征在于，所述的导电聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚并苯、聚对苯乙炔、聚乙炔、聚对苯乙烯撑中的一种或几种。4.如权利要求2所述的锂硫电池，其特征在于，所述的导电剂为导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨、石墨烯中的一种或几种。5.如权利要求2所述的锂硫电池，其特征在于，所述粘接剂为聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚偏二氟乙烯、海藻酸钠中的一种或几种。6.一种导电聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：方静，李强，张凯，覃富荣，李劼，张治安，赖延清，贾明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：