[發明專利]一種鋰硫電池用正極復合材料

有效

• 申請號: 201410074920.8
• 申請日: 2014-03-03
• 公開（公告）號: CN104183836B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 曹朝霞;馬超;尹艷紅;楊書廷;岳紅云;李向南
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 牛愛周

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種鋰硫電池用正極復合材料。

背景技術

近年來，由于能源問題、環境問題的日益突顯，便攜式電子產品、混合動力車、大型工業設備等對更高能量密度、更長循環壽命的二次電池需求越來越大。傳統的商業鋰離子電池，如LiMn₂O₄和LiFePO₄等，它們的標準比容量較低（148mAh/g、170mAh/g），已經不能滿足市場的需求。相比之下，硫元素具有更高的標準比容量（1675mAh/g），可作為正極材料；另外，環境友好、價格低廉也成為硫元素優勢所在，因此，鋰硫二次電池引起了廣泛的關注。

鋰硫電池是以硫（或含硫化合物）為正極，金屬鋰（或含鋰合金）為負極的可逆二次電池。目前，鋰硫電池不能夠廣泛應用，原因主要為：（1）硫的電子及離子導電性能比較差；（2）在充放電過程中，形成一系列的多硫化物，并且易溶于電解液，導致活性物質硫的損失，循環性能表現較差。到目前為止，人們大多采用活性炭、超導炭黑、介孔碳、碳納米管以及石墨烯等與單質硫復合制備鋰硫電池正極材料，這些材料在各個方面都存在一些不足之處，如活性炭等負載硫正極材料容量較低、循環性能較差；碳納米管、石墨烯等負載硫正極材料，工藝復雜，流程繁瑣，成本較高，且不易于工業化生產。

現有技術中，Wang?Hailiang等（Wang,H.,Y.Yang,and?Y.Liang(2011).Graphene-Wrapped?Sulfur?Particles?as?a?Rechargeable?Lithium–Sulfur?Battery?CathodeMaterial?with?High?Capacity?and?Cycling?Stability.Nano?Letters11(7):2644-2647.）報道了一種石墨烯/硫復合材料做鋰硫電池正極，組成的電池50次循環后，放電比容量仍穩定在600mAh/g以上。雖然石墨烯/硫復合材料與其它材料復合硫相比，電性能優勢明顯，但因成本高，操作復雜，工藝流程冗長，仍不能實現工業化生產。李永等（李永、董曉雯、趙宏濱等.硫/有序介孔碳復合材料的制備及其電化學性能.硅酸鹽學報，2011,04:0572-0576）報道了一種用模板法合成有序介孔碳材料，這種材料與硫復合，電性能首次放電容量達1430mAh/g，50次循環后仍穩定在500mAh/g以上。雖然硫/有序介孔碳復合材料與其他復合材料相比首次放電容量優勢明顯，但硫總含量不高，循環穩定性較差。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰硫電池用正極復合材料，解決現有鋰硫電池用正極材料循環穩定性差、成本較高的問題。

為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是：一種鋰硫電池用正極復合材料，包含以下重量份數的組分：膨潤土4份、單質硫3～6份。

所述單質硫為升華硫。

所述膨潤土為活性白土、天然漂白土、有機膨潤土、鋰基膨潤土、鈣基膨潤土、鈉基膨潤土中的任意一種或多種。

一種上述的鋰硫電池用正極復合材料的制備方法，包括下列步驟：

1）基體材料預處理：取膨潤土進行干燥處理后球磨，得膨潤土細粉；

2）制備復合材料：將步驟1）所得膨潤土細粉與單質硫復合，即得正極復合材料。

步驟1）中所述干燥的溫度為50～80℃，時間為6～10h。

步驟1）中所述球磨的球料比為1:1～5（體積比），轉速為300～600r/min，球磨時間為2.5～6h。

步驟2）中所述復合的方法為機械球磨法、高溫固相法或液相法。

所述機械球磨法是將所述膨潤土細粉與單質硫在球料比為1:1～5（體積比）、轉速為300～600r/min的條件下球磨2.5～6h。

所述高溫固相法是將所述膨潤土細粉與單質硫混合并研磨均勻后，置于氣氛爐中，在150～160℃高溫下處理5～10h。

所述液相法具體包括下列步驟：

a.在90～100℃條件下，將單質硫溶解在有機溶劑中，得單質硫-有機溶液；

b.取所得膨潤土細粉加入單質硫-有機溶液中，攪拌使其混合均勻后，將有機溶劑蒸發完全并真空干燥。

步驟a中，所述有機溶劑為甲苯、二硫化碳中的任意一種或兩種。所述有機溶劑的用量為每1.0g單質硫用2～6ml有機溶劑。

步驟b中，所述攪拌的時間為2～6h。所述干燥的溫度為50～80℃，時間為6～10h。