本发明专利技术公开了一种基于蛭石的锂硫电池正极材料及其制备和应用方法，该正极材料以蛭石为骨架，将单质硫注入蛭石中得到的载硫复合材料，再对该载硫复合材料进行导电物质包覆。利用蛭石能够有效减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电过程中的体积膨胀，改善了锂硫电池的循环性能。导电物质包覆增强了材料的导电性，提高了锂硫电池的容量。本发明专利技术制备工艺简单，并且蛭石属于天然的环保材料，成本低廉，利于锂硫电池产业化。同时，蛭石的引入也推动了非金属矿物的产业转型与升级。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该正极材料以蛭石为骨架，将单质硫注入蛭石中得到的载硫复合材料，再对该载硫复合材料进行导电物质包覆。利用蛭石能够有效减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电过程中的体积膨胀，改善了锂硫电池的循环性能。导电物质包覆增强了材料的导电性，提高了锂硫电池的容量。本专利技术制备工艺简单，并且蛭石属于天然的环保材料，成本低廉，利于锂硫电池产业化。同时，蛭石的引入也推动了非金属矿物的产业转型与升级。【专利说明】—种基于蛭石的锂硫电池正极材料及其制备和应用方法
本专利技术属于新能源材料领域，特别是涉及。
技术介绍
随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，高能量密度、低成本的可再生能源系统的开发逐渐成为人们研究的重点。由于单质硫具有高比容量、价格低、环境友好以及密度轻等特点，被认为是一种优良的锂电池正极材料。锂硫电池以单质硫作为正极反应物质，金属锂作为负极，理论能量密度能达到2600Wh/kg。与传统的锂离子电池相比，锂硫电池能够实现其3到5倍的能量密度，因而成为人们当前关注的焦点。尽管如此，锂硫电池依旧存在以下三个方面的问题:(1)锂硫电池充放电过程产生的多硫化锂易溶于有机电解液，使电极的活性物质逐渐减少，且由于穿梭原理，溶解的多硫化锂会穿过隔膜达到电池的负极锂片上，生成的硫化锂等产物导电性差且不溶解，从而引起电池负极的腐蚀和电池内阻的增加，导致电池的循环性能变差，容量逐步衰减。(2)硫的导电性差，不利于电池的高倍率性能，正极为100%硫的Li/S电池在室温时不可能充放电，这是因为硫的离子导电性和电子导电性都很低，导致电极中硫的电化学性能不佳及利用率低等问题，一般将硫与碳或其他导电材料复合可以解决其导电差的问题。(3)硫在充放电过程中，体积的扩大缩小非常大，有可能导致电池损坏，因为在循环过程中，锂硫电池中硫电极的体积形变高达22%，可能使硫电极内部产生微裂纹。这种微裂纹的存在及绝缘相Li2S在裂纹处的生成破坏了电极的整体性，最终加剧锂硫电池的容量衰减。目前，为了克服锂硫电池容量衰减的问题，人们主要从以下三个方面进行改进:(I)抑制多硫化物过多的溶解，主要通过设计导电相的结构使其具有吸附多硫化物的能力，或者改进电池的电解液体系；(2)添加一种或多种电子导体与硫复合达到提高导电性的目的；(3)锂负极的保护。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种正极材料，其首次成功采用蛭石载硫材料制备锂硫电池正极，还提供了该材料的制备和应用方法。该材料能够减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电过程中的体积膨胀，改善锂硫电池的循环性能，而且与一般的人工合成的多孔载硫材料制备的正极相比，性能要优越得多。此外，蛭石的价格低廉、量大，而且由于是天然产物，无需合成，获取方便。本专利技术的目的之二还是提供一种正极材料及其应用方法，是在蛭石载硫材料基础上包覆导电物质，增强了材料的导电性，提高了锂硫电池的容量，比一般的包覆导电物质的人工合成多孔载硫材料制备的正极性能好出很多。一种基于蛭石的锂硫电池正极材料，是以蛭石粉末材料为骨架，将单质硫注入蛭石孔中得到的载硫复合材料。优选单质硫与蛭石的质量比例不超过I。蛭石粉末粒径范围小于200 μ m ;优选150nm-800nm。所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料，还可以再对所述的载硫复合材料进行导电物质包覆。所述的导电物质包括金属元素或导电聚合物。金属元素包括:银、铜、金、铝、钥、钨、锌、镍、铁、钼或锡；导电聚合物包括:聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯、聚双炔。包覆的导电物质厚度为IOnm-1O μ m ;优选50-200nm。一种基于蛭石的锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤:I)预处理蛭石:对粒径范围小于200 μ m的蛭石粉末用去离子水进行清洗，再对其超声振荡l_2h ;然后放进烘箱中85-100°C干燥10-24h ;将蛭石粉末加入1-lOmol/L HCl溶液中酸洗处理l_2h，清洗；将蛭石粉末在真空条件下在100-15(TC保温l_2h，在真空条件下冷却至室温，得到纯化后的蛭石粉末材料；2)注硫:采用真空热处理法、保护气氛热处理法、化学法、溶剂交换法中的一种对蛭石粉末进行注硫。步骤2)中真空热处理法的步骤如下:a、真空状态下熔融单质硫注入蛭石粉末的孔隙中山、然后继续在真空状态下加热将蛭石表面多余的硫升华，冷却至室温，干燥。步骤a中，真空熔融注硫工艺的真空度范围在0.Ι-lOOPa，单质硫在真空中液化的反应温度在40-100°C，反应时间l_3h ;步骤b中，真空度范围在0.Ι-lOOPa，气化的反应温度在 60°C _120°C，反应时间 10-30min。所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料的制备方法，继续将单质硫注入蛭石孔中得到的载硫复合材料包覆导电物质，包覆的导电物质厚度为IOnm-1O μ m ;优选50_200nm。本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果:1.本专利技术将蛭石这种非金属矿物材料应用于锂硫电池乃至整个电池领域在国内外文献、新闻资讯中未见相关报道。本专利技术通过采用天然廉价的蛭石粉末作为骨架材料所制备得到的锂硫电池正极材料，能有效抑制硫在充放电过程中的体积膨胀并减少多硫化物的溶解。而且蛭石属单斜晶系的假晶体，呈块状、片状，是富含氮、磷、钾、铝、铁、镁、硅酸盐等成分复杂结构形态的矿物质，将其用于制备锂硫电池的正极，有着以下意料不到的技术效果，I)专利技术人惊喜的发现本专利技术采用蛭石载硫正极材料的性能远优于多孔炭载硫材料制备的正极，2)本专利技术采用蛭石载硫正极材料的性能与包覆了导电物质的多孔炭载硫材料制备的正极性能基本持平，这是本领域技术人员没有意料得到的；3)包覆了导电物质的蛭石载硫正极材料的性能也远优于包覆导电物质的多孔炭载硫材料制备的正极。参见本专利技术数据:采用本专利技术制备的蛭石载硫复合正极材料与锂负极组装成扣式电池(实施例1)，室温条件下在0.2C恒流充放电时，首次放电比容量达到1031.4mAh/g，循环200次后容量保持在765.6mAh/g，容量保持率达到74.2%。与一般的人工合成的多孔炭载硫材料制备的正极(对比例I的三个数据，955.3、647.4、67.8%)相比，性能要优越的多，与包覆了导电物质的多孔炭载硫材料制备的正极(对比例2的三个数据，1055.1,791.6、75%)相比，基本持平。而本专利技术包覆了导电物质的蛭石载硫材料，进一步增强了材料的导电性，提高了锂硫电池的容量，本专利技术实施例2、3、4均是包覆了导电材料的，其性能数据明显优于对比文件2包覆导电物质的多孔炭载硫材料。2.蛭石原料丰富且价格低廉。目前市场上常见的多孔碳材料价格约在5000元/吨，而蛭石作为一种天然的非金属矿物材料，免去了其他材料复杂的加工制备工艺。并且，蛭石粉末材料市场价格约为2500元/吨，用作锂硫电池正极中的骨架材料具有很大的价格优势。3.制备工艺简单。综上所述，蛭石是非金属矿物材料中的一种，是价格便宜的天然绿色环保材料，将其作为载硫复合体应用到锂硫电池领域，能够减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电过程中的体积膨胀，改善锂硫电池的循环性能。本专利技术通过将蛭石与硫进行复合，制备了可用于锂硫电池的正极材料，所装配的锂硫电池容量高、循环性能好。并且采用导电物质包覆的手本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，是以蛭石粉末材料为骨架，将单质硫注入蛭石孔中得到的载硫复合材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：潘勇，潘俊安，谢淑红，马增胜，成娟娟，雷维新，蒋志杰，伍成，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。