[發明專利]一種鋰硫電池正極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310063527.4
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103123966A
• 公開（公告）日: 2013-05-29
• 發明（設計）人: 田拴寶;尹艷紅;曹朝霞;岳紅云;楊書廷
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 新鄉市平原專利有限責任公司 41107
• 代理人: 于兆惠

技術領域

本發明涉及材料化學技術領域，具體涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池是采用單質硫（或含硫化合物）為正極，金屬鋰為負極，通過鋰與硫之間的化學反應實現化學能和電能相互轉化的一類鋰二次電池。與鋰離子二次電池相比，鋰硫電池具有很高的理論比容量，最高達到2600wh/kg，是一種高能量密度、環境友好且廉價易得的二次電池，因此被認為是未來動力電池應用的主要代表之一，極具規?；膽脙r值。

然而，由于硫的電子及離子導電性能均較差，以及在充放電過程中形成的系列多硫化物易溶于電解液的特性，導致鋰硫電池存在硫的利用率低和循環穩定性差的問題，成為阻礙鋰硫電池實際應用的最大瓶頸。如果能將硫以微小的粒度形式均勻分散于導電性良好的多孔材料中，一方面可有效提高硫的利用率；另一方面利用多孔材料的表面吸附作用可有效降低硫放電的中間產物從正極片上的流失和團聚，較好保持正極結構的穩定性和優良的導電性。因此，將硫與多孔材料均勻復合可以制備出高容量且循環性能優異的鋰硫電池正極材料。

目前，人們多采用機械球磨法、氣氛保護燒結法及溶液化學沉積法實現多孔碳材料與硫的復合。但這些方法都存在一些不足，機械球磨法僅僅是硫與碳的物理混合，不能實現將硫均勻分散到碳基體的微孔結構中；氣氛燒結法過程復雜，燒結過程中伴隨硫的升華，因此復合材料中硫的含量不能精確調控，而且高溫燒結導致納米碳材料團聚嚴重，不利于硫的均勻分散；溶液化學沉積法借助于硫代硫酸鈉或過硫化鈉與酸反應時產生的硫與碳復合，制備過程中會產生毒性較強且對電極有毒化作用的二氧化硫或硫化氫，并且由于化學反應產生的硫量較少，不能實現較大規模鋰硫電池正極材料的制備。?

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種采用甲苯作溶劑的真空溶液浸漬法制備高性能鋰硫電池正極材料的方法，主要通過在較高溫度下將單質硫溶解在甲苯中，真空條件下，借助于基體材料孔的毛細作用將溶解有單質硫的甲苯溶液吸入到基體材料的微孔/介孔中，在降溫過程中硫從溶液中結晶出來沉積在基體材料的微孔/介孔中，從而實現硫顆粒的納米化及均勻分散。采用該法制備的鋰硫電池正極材料，由于硫均勻分散在基體材料中，實現了硫顆粒的納米化，有效抑制充放電過程中硫放電產物的溶失及在電極表面的團聚，硫電極的導電性及結構穩定性均得到較好的保持。因此可獲得反應活性高，倍率性能好，循環性能佳的鋰硫電池正極材料。

本發明的技術方案是：一種鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟：（1）將單質硫溶解在甲苯中制得單質硫的甲苯溶液；（2）基體材料的預處理，將基體材料于110-120℃的溫度下真空干燥12-24h，然后轉移到容器中，抽真空，維持溫度110℃；（3）鋰硫電池正極材料的制備，在真空的條件下，將制得的單質硫的甲苯溶液吸入到盛放基體材料的容器中，充分浸潤后，降至室溫，減壓蒸餾回收甲苯即制得鋰硫電池正極材料。

本發明所述步驟（1）中甲苯的用量為每4.0-7.0g單質硫用16-42ml甲苯。

本發明所述步驟（1）中單質硫充分溶解于甲苯的溫度為110℃，升溫速率為3-5℃/min，磁力攪拌的速度為300-500r/min，單質硫溶解后保溫30-50min。

本發明所述步驟（2）中基體材料的用量與步驟（1）中單質硫的用量質量之比為m（基體材料）：m（單質硫）=3:2-7。

本發明所述步驟（2）中基體材料為活性炭、介孔碳、碳納米管、氧化石墨烯和超導石墨中的一種或多種。

本發明所述步驟（2）中抽真空的真空度控制在-0.050--0.095MPa。

本發明所述步驟（3）中單質硫的甲苯溶液充分浸潤基體材料的時間為1-5h，降溫過程為1-5℃/min速率降至室溫。

本發明所述步驟（3）中減壓蒸餾的溫度為50-70℃。

本發明與現有技術相比，具有以下有益效果：（1）本發明將活性組分硫均勻分散在基體材料的介微孔中，實現了單質硫顆粒的納米化，可有效提高硫的導電性及碳基體對可溶多硫化物吸附能力，進而起到提高硫的利用率及改善鋰硫電池循環性能的作用；（2）本發明可實現鋰硫電池正極材料中，硫負載量的精確調控，同時溶劑甲苯不會毒化鋰硫電池正極材料，并且對硫電極的電化學活性具有催化作用；（3）本發明制備方法簡單易操作，制備過程中硫不會升華損失，不產生有毒氣體，溶劑可回收反復利用，適合較大規模鋰硫電池正極材料的制備。

附圖說明