[發明專利]鋰硫電池正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201410243939.0
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN105140461A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 孫黎;王佳平;姜開利;范守善
• 申請（專利權）人: 清華大學;鴻富錦精密工業（深圳）有限公司
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/133;H01M4/139;H01M4/1393;B82Y30/00;B82Y40/00
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技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術

鋰硫電池以硫單質為正極，而以單質鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物,其反應方程式為：S₈+16Li⁺+16e^-1=8Li₂S。由于發生多電子轉移反應，因此，其具有很高的理論比容量，比容量高達1672mAhg^-1。另外，由于硫單質是一種對環境友好的材料、無毒、成本低、且原料來源廣泛，因此，使得鋰硫電池受到越來越多的關注。

然而，由于硫單質具有絕緣的特性，在充放電過程中硫單質的體積會產生較大收縮和膨脹，并且，硫單質在放電反應中形成的中間產物（多硫化物，Li₂S_n，n=4~8）會溶于電解液，從而易于隨電解液流失和在兩電極之間發生“穿梭效應”，因此，限制了鋰硫電池的比容量和循環穩定性。

發明內容

有鑒于此，確有必要提供一種具有良好導電性能、能防止硫單質在充放電過程中產生收縮和膨脹，并能抑制多硫化物流失的鋰硫電池正極材料及其制備方法。

一種鋰硫電池正極材料的制備方法，包括：制備一碳納米管原料；提供一單質硫以及一第一溶劑，所述單質硫可溶于所述第一溶劑；將該碳納米管原料和單質硫加入至所述第一溶劑中，并超聲分散一段時間，使該單質硫溶解于第一溶劑并使碳納米管原料絮化形成一碳納米管網絡結構從而形成一第一懸濁液，所述單質硫在所述第一溶劑的濃度為0.1g/L到5g/L；在超聲分散過程中，將一第二溶劑添加到所述第一懸濁液中，使單質硫析出形成一第二懸濁液，其中，所述單質硫難溶于所述第二溶劑，且所述第一溶劑與所述第二溶劑互溶；以及將所述第二懸濁液抽濾或干燥以去除溶劑，從而獲得所述鋰硫電池正極材料。

一種鋰硫電池正極材料，該鋰硫電池正極材料為一個多孔的三維網狀結構，其表面和內部包括多個均勻分布的孔道，且所述孔道的內徑大于等于20納米小于等于10微米；該鋰硫電池正極材料由一碳納米管網絡結構以及多個均勻吸附于該碳納米管網絡結構中的硫納米晶組成；所述硫納米晶與碳納米管網絡結構的質量比為0.5：1到2：1；所述碳納米管網絡結構包括多個碳納米管，該多個碳納米管相互纏繞從而形成所述多個孔道；所述硫納米晶通過范德華力附著在碳納米管的表面或者被碳納米管纏繞。

與現有技術相比較，本發明提供的鋰硫電池正極材料具有以下優點。其一、由于硫納米晶均勻附著在碳納米管的表面或者被碳納米管纏繞，因此，該鋰硫電池正極材料具有良好的導電性能，進而可以提高該鋰硫電池正極材料的比容量，其初始比容量可達1088mAhg^-1。其二、由于碳納米管網絡結構具有多個孔道，可以緩沖硫在充放電過程中高達80%的體積變化，故，該鋰硫電池正極材料在使用時不會發生結構的破壞和坍塌，從而使該鋰硫電池正極材料具有良好的結構穩定性。其三、該碳納米管網絡結構還可以對硫納米晶及其反應產物（多硫化物）產生一定的束縛作用，防止硫納米晶在反應過程中流失，從而提高鋰硫電池正極材料的循環性能。此外，本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料的制備方法，通過第一溶劑、第二溶劑以及所述單質硫濃度的選擇，從而獲得粒徑可控、且均勻分布的硫納米晶，并使硫納米晶與碳納米管形成良好的結構。另外，本發明提供的鋰硫電池正極材料的制備方法還具有方法簡單、成本低、易于工業化等特點。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料的制備方法的流程圖。

圖2為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料的結構示意圖。

圖3為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料的透射電鏡照片。

圖4為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料的掃描電鏡照片。

圖5為本發明對比例1獲得的鋰硫電池正極材料的掃描電鏡照片。

圖6為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料在充放電倍率為1C的條件下，其比容量及庫侖效率隨循環次數的變化曲線。

圖7為本發明對比例2獲得的鋰硫電池正極材料在充放電倍率為1C的條件下，其比容量及庫侖效率隨循環次數的變化曲線。

圖8為本發明實施例提供的鋰硫電池正極材料在放電倍率為0.5C，不同充電倍率下，其比容量隨循環次數的變化曲線。