[發(fā)明專利]一種基于海泡石的鋰硫電池正極材料及其制備和應(yīng)用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310700318.6
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103779543A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 潘勇;潘俊安;謝淑紅;伍成;馬增勝;朱經(jīng)濤;李真真
• 申請（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/66
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 袁靖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源材料領(lǐng)域，特別是涉及一種基于海泡石的鋰硫電池正極材料及其制備和應(yīng)用方法。?

背景技術(shù)

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重和能源危機的不斷加劇，高能量密度、低成本的可再生能源系統(tǒng)的開發(fā)逐漸成為人們研究的重點。由于單質(zhì)硫具有高比容量、價格低、環(huán)境友好以及密度輕等特點，被認(rèn)為是一種優(yōu)良的鋰電池正極材料。鋰硫電池以單質(zhì)硫作為正極反應(yīng)物質(zhì)，金屬鋰作為負(fù)極，理論能量密度能達(dá)到2600Wh/kg。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋰硫電池能夠?qū)崿F(xiàn)其3到5倍的能量密度，因而成為人們當(dāng)前關(guān)注的焦點。?

盡管如此，鋰硫電池依舊存在以下三個方面的問題：(1)鋰硫電池充放電過程產(chǎn)生的多硫化鋰易溶于有機電解液，使電極的活性物質(zhì)逐漸減少，且由于穿梭原理，溶解的多硫化鋰會穿過隔膜達(dá)到電池的負(fù)極鋰片上，生成的硫化鋰等產(chǎn)物導(dǎo)電性差且不溶解，從而引起電池負(fù)極的腐蝕和電池內(nèi)阻的增加，導(dǎo)致電池的循環(huán)性能變差，容量逐步衰減。(2)硫的導(dǎo)電性差，不利于電池的高倍率性能，正極為100%硫的Li/S電池在室溫時不可能充放電，這是因為硫的離子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性都很低，導(dǎo)致電極中硫的電化學(xué)性能不佳及利用率低等問題，一般將硫與碳或其他導(dǎo)電材料復(fù)合可以解決其導(dǎo)電差的問題。(3)硫在充放電過程中，體積的擴大縮小非常大，有可能導(dǎo)致電池?fù)p壞，因為在循環(huán)過程中，鋰硫電池中硫電極的體積形變高達(dá)22%，可能使硫電極內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋。這種微裂紋的存在及絕緣相Li2S在裂紋處的生成破壞了電極的整體性，最終加劇鋰硫電池的容量衰減。?

目前，為了克服鋰硫電池容量衰減的問題，人們主要從以下三個方面進(jìn)行改進(jìn)：(1)抑制多硫化物過多的溶解，主要通過設(shè)計導(dǎo)電相的結(jié)構(gòu)使其具有吸附多硫化物的能力，或者改進(jìn)電池的電解液體系；(2)添加一種或多種電子導(dǎo)體與硫復(fù)合達(dá)到提高導(dǎo)電性的目的；(3)鋰負(fù)極的保護(hù)。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一是提供一種正極材料，其首次成功采用海泡石載硫材料制備鋰硫電池正極，還提供了該材料的制備和應(yīng)用方法。該材料能夠減少多硫化物的溶解并抑制硫在充放?電過程中的體積膨脹，改善鋰硫電池的循環(huán)性能，而且與一般的人工合成的多孔載硫材料制備的正極相比，性能要優(yōu)越得多。此外，海泡石的價格低廉、量大，而且由于是天然產(chǎn)物，無需合成，獲取方便。?

本發(fā)明的目的之二還是提供一種正極材料及其應(yīng)用方法，是在海泡石載硫材料基礎(chǔ)上包覆導(dǎo)電物質(zhì)，增強了材料的導(dǎo)電性，提高了鋰硫電池的容量，比一般的包覆導(dǎo)電物質(zhì)的人工合成多孔載硫材料制備的正極性能好出很多。?

一種基于海泡石的鋰硫電池正極材料，是以海泡石粉末材料為骨架，將單質(zhì)硫注入海泡石孔中得到的載硫復(fù)合材料。優(yōu)選單質(zhì)硫與海泡石的質(zhì)量比例不超過1。?

海泡石粉末粒徑范圍小于200μm，優(yōu)選150nm-800nm。?

所述的基于海泡石的鋰硫電池正極材料還可以對所述的載硫復(fù)合材料進(jìn)行導(dǎo)電物質(zhì)包覆。?

所述的導(dǎo)電物質(zhì)包括金屬元素或?qū)щ娋酆衔铩?

金屬元素包括：銀、銅、金、鋁、鉬、鎢、鋅、鎳、鐵、鉑或錫；導(dǎo)電聚合物包括：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撐、聚苯撐乙烯、聚雙炔。?

包覆的導(dǎo)電物質(zhì)厚度為10nm-10μm；優(yōu)選50-200nm。?

一種基于海泡石的鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：?

1）預(yù)處理海泡石：對粒徑范圍小于200μm的海泡石粉末用去離子水進(jìn)行清洗，再對其超聲振蕩1-2h；然后放進(jìn)烘箱中85-100℃干燥10-24h；將海泡石粉末加入1-10mol/L?HCl溶液中酸洗處理1-2h，清洗；將海泡石粉末在真空條件下在100-150℃保溫1-2h，在真空條件下冷卻至室溫，得到純化后的海泡石粉末材料；?

2）注硫：采用真空熱處理法、保護(hù)氣氛熱處理法、化學(xué)法、溶劑交換法中的一種對海泡石粉末進(jìn)行注硫。?

步驟2）中真空熱處理法的步驟如下：a、真空狀態(tài)下熔融單質(zhì)硫注入海泡石粉末的孔隙中；b、然后繼續(xù)在真空狀態(tài)下加熱將海泡石表面多余的硫升華，冷卻至室溫，干燥。?

步驟a中，真空熔融注硫工藝的真空度范圍在0.1-100Pa，單質(zhì)硫在真空中液化的反應(yīng)溫度在40-100℃，反應(yīng)時間1-3h；步驟b中，真空度范圍在0.1-100Pa，氣化的反應(yīng)溫度在60℃-120℃，反應(yīng)時間10-30min。?

所述的基于海泡石的鋰硫電池正極材料的制備方法，繼續(xù)將單質(zhì)硫注入海泡石孔中得到的載硫復(fù)合材料包覆導(dǎo)電物質(zhì)，包覆的導(dǎo)電物質(zhì)厚度為10nm-10μm；優(yōu)選50-200nm。?