[發明專利]一種二次鋰硫電池單質硫正極及其制備方法

有效

• 申請號: 201310436527.4
• 申請日: 2013-09-24
• 公開（公告）號: CN103500813A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 李永;郭瑞;劉雯;裴海娟;解晶瑩
• 申請（專利權）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/134
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張靜潔;賈慧琴

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池，尤其涉及一種鋰硫電池單質硫正極極片及其制備方法，屬于電化學電池領域。?

背景技術

隨著社會的高速發展和人們生活水平的提高，能源危機顯得日益突出，能源的多樣化需求也日益迫切。以鋰電池特別是二次的鋰離子電池為代表的清潔化學電源得到了快速的發展和應用，發揮著不可或缺的作用。從便攜的電子產品如iphone手機到以動力和儲能為代表的航天飛行器、電動汽車、智能電網和儲能電站的飛速發展，對所用化學電源特別是鋰電池，提出了更高的要求：質量輕、體積小、能量密度高、安全性好、長循環壽命等。?

目前商品化的鋰電池正極材料主要是層狀的或者尖晶石狀的鋰過渡金屬氧化物，如LiCoCO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等。這些材料具有工作電壓高、自放電率低等優點，但是重量能量密度不夠高，目前限制在200-250Wh/Kg，不能滿足社會對高能量密度的要求。雖然通過改進現有材料和電池制備工藝還可以在一定程度上提高電池的性能，但是若要顯著的提高電池的能量密度，就必須對新材料和新體系進行開發。?

以單質硫為正極、金屬鋰為負極的鋰硫電池是一種很有發展潛力的高能量密度的新體系電池。其發生的電化學總反應為：S₈+LiLi₂S_x(1≤x≤8)Li₂S。按照最終還原反應產物Li₂S計算，單質硫的理論比容量是1672mAh/g，金屬鋰具有理論比容量3860mAh/g，Li/S氧化還原對的理論能量密度高達2600Wh/kg。此外，硫還具備資源豐富、價格低廉、無毒或低毒的特點。?

由于單質硫的電子導電率極低，因此需要添加大量高導電相的導電劑提高活性物質硫的活性。而如何制備出硫、碳或硫、聚合物分布均勻的電極漿料和電極極片成為一個難點。目前鋰硫電池研究的熱點和重點是硫/碳或硫/聚合物復合正極材料的制備，其出發點和重點都是著眼于正極復合材料的制備，往往忽略了最終均勻分散電極漿料的制備。如，通過熱處理或者化學方法制備出硫/碳或硫/聚合物分布均一的復合材料，然后再添加其它導電劑、粘結劑等通過攪拌分散來制備電極漿料和極片，制備過程都比較復雜，而且成本高，不利于工業化大規模的生產。其次，目前所報道的單質硫正極的面密度都較低，距離實際應用較遠。?

發明內容

本發明的目的是為了克服現有的單質硫正極制備工藝繁瑣、活性物質硫與導電劑分布不均勻等缺陷，提供了一種鋰硫電池單質硫正極的制備方法，利用硫的相轉換、一鍋法制備單質硫正極，制備方法簡單、硫碳分散均勻、高載量、單質硫利用率高。?

為達到上述目的，本發明提供了一種二次鋰硫電池單質硫正極的制備方法，該方法包括如下步驟：?

步驟1，將升華硫溶于易揮發溶劑中，配置硫溶液；

步驟2，將微觀為點、線結合的復合導電劑分散于粘結劑PVDF（聚偏氟乙烯）的NMP（N-甲基吡咯烷酮）溶液（將NMP溶劑加入到已準備好的粘結劑，攪拌均勻得到）中，通過磁力攪拌或機械攪拌或球磨制備出分散良好的前期漿料；

步驟3，將步驟1配置的硫溶液逐滴滴加到步驟2制備的密封性良好的導電劑分散良好的前期漿料中，繼續攪拌2～5小時；

步驟4，將密閉容器敞口，繼續攪拌0.5～1小時，得到硫碳分散均勻的、適于涂布的漿料；

步驟5，將分散均勻的漿料涂敷于功能化的集流體上；該功能化的集流體指集流體表面經過了處理，具體是集流體表面涂覆了一層碳層，該功能化集流體為市售的；該功能化集流體的作用主要是增加了集流體表面的粗糙度，有利于漿料涂覆，特別是用于高面密度硫正極的制備；還有一個作用是減小漿料涂覆層與集流體表面的接觸電阻；

步驟6，置于50℃真空烘干后沖片、稱量作為正極片;?金屬鋰為負極片在充滿氬氣的手套箱中組裝成電池進行測試；

其中，升華硫：導電劑：粘結劑的用量比例按照質量比40～80：50～10：10。

上述的二次鋰硫電池單質硫正極的制備方法，其中，所述升華硫為溶劑揮發而析出的硫顆粒，粒徑集中在10微米，粒徑范圍為6-12微米，?60-95%的重量百分數的硫顆粒粒徑為10微米。?

上述的二次鋰硫電池單質硫正極的制備方法，其中，步驟1中，所述的升華硫的溶劑選擇CS2、二甲苯、甲苯或DMSO中的任意一種以上；，這些溶劑不僅易溶解升華硫，而且溶劑自身易揮發。?