[發明專利]一種鋰-硫電池用電極結構及其制備和應用

有效

• 申請號: 201210513412.6
• 申請日: 2012-12-04
• 公開（公告）號: CN103855357A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 張華民;張益寧;李婧;王美日;聶紅嬌;王倩
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/139;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種鋰-硫電池用電極結構，其特征在于：所述電極是以碳材料和活性物質硫作為基體材料制備而成，電極中均勻分布有大孔孔道結構，大孔孔徑0.5um-5um，孔間距0.5um-5um，孔容0.2-2cm³/g，占電極總孔容的40-80%；大孔孔道通過其余孔道交錯貫通，其余孔道為孔徑為1nm-500nm和孔徑為5um-20um的孔道，其中硫的質量分數為40-80%。

2.根據權利要求1所述的電極結構，其特征在于，所述碳材料為粒徑在10-100nm的KB600、KB300、BP2000、XC-72、Acetylene?black、Alkaline-activated?carbon、碳氣凝膠或碳干凝膠中的一種或多種；

所述電極由碳材料、活性物質硫和粘結劑組成，粘結劑所占的質量分數為10-30%。

3.一種如權利要求1所述電極結構的制備方法，其特征在于，所述電極按如下過程制備而成，

1）將碳材料與粘結劑共混于溶劑中，其中粘結劑占碳材料和粘結劑總質量分數的2-8%，固體物質與溶劑比例為1-10mg固體/ml溶劑；于40-80攝氏度下烘干，后在300-360攝氏度N₂或Ar惰性氣氛保護下熱處理1-4小時，形成碳材料聚集體；

2)對碳材料聚集體進行充硫操作，充硫方法為熔融法充硫或氣相充硫，得到碳硫復合電極材料；

熔融法充硫法是將碳材料聚集體和硫的機械混合物，于氮氣或氬氣惰性氣氛中，150-160攝氏度靜置5-10小時；

氣相充硫法是將碳材料聚集體和硫的機械混合物，于氮氣或氬氣惰性氣氛的密閉容器中，300-500攝氏度靜置2-12h；其中碳材料與硫的質量之比為1:4-3:2；

3）將碳硫復合電極材料再次與粘結劑共混于溶劑中，得到電極漿料，其中固體物質與溶劑比例為10~200mg固體/ml溶劑；采用刮涂、噴涂或輥壓的方式，制備得到片狀電極，或者采用刮涂法將其涂覆于鋁箔上，于40-80攝氏度烘干制得電極；

電極漿料中粘結劑總質量占電極漿料中固體物質的質量分數為10-30%，粘結劑總質量包括碳材料聚集體中的粘結劑和再次加入的粘結劑的質量。

4.一種如權利要求1所述電極結構的制備方法，其特征在于，所述電極還可按如下過程制備而成，

1）將碳材料與導電碳材料機械混合，得混合物；其中導電碳材料為粒徑0.5-10um的導電炭黑和/或石墨，其質量分數為5-30%；

2）采用與權利要求3步驟2）相同的工藝進行充硫，得到碳硫復合電極材料；

3）將碳硫復合電極材料與粘結劑共混于溶劑中得到電極漿料，其中粘結劑的質量占電極漿料中固體物質的質量分數為10-30%，固體物質與溶劑比例為10-200mg固體/ml溶劑；將電極漿料采用刮涂、噴涂或輥壓的方式，制得片狀電極，或者采用刮涂法將其涂覆于鋁箔上，于40-80攝氏度下烘干制得電極。

5.根據權利要求3或4所述電極結構的制備方法，其特征在于，所述粘結劑為PTFE或PVDF，

采用PTFE作為粘結劑，溶劑為醇、水或醇水混合液，醇水混合液中醇與水質量比為1:4~4:1；

或，采用PVDF作為粘結劑，溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、碳酸三乙酯、二甲基亞砜或丙酮中的一種或多種。

6.根據權利要求5所述電極結構的制備方法，其特征在于，所述醇包括乙醇、異丙醇、乙二醇或丙三醇中的一種或多種。

7.一種權利要求1或2所述電極的應用，其特征在于，所述電極作為鋰硫電池正極使用。