[發明專利]一種鋰硫電池正極材料用復合導電劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201410576983.3
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104282914A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 田艷紅;張學軍;譚杰成
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01B1/04;H01B13/00
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司 11294
• 代理人: 王天桂

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料用復合導電劑及其制備方法，屬于無機非金屬材料領域。

背景技術

隨著對能源需求的逐漸增加，尋找替代化石燃料的可再生能源變得越來越重要。為了能更好地利用風能、太陽能等清潔且可持續利用的能源，研發有效的能量存儲系統來確保能量轉移和有效利用已成為當務之急。在所有金屬中，鋰擁有最低的密度（0.534g/cm3）、最低的電勢（-3.045v）和最高的比容量（3861mAh?g^-1），假設所有的鋰都以原子態存在，且一個鋰原子與一個電子交換），因此金屬鋰被看成制備二次電池負極最好的材料。硫元素無毒、全球儲量豐富，而且有著較高的理論比容量（1673?mAh?g^-1），因此鋰硫電池可達到很高的能量密度（2600?mAh?g^-1），從而可在能量存儲、再生能源等方面發揮重要作用。然而，鋰硫電池商業化過程中遇到了很多障礙，如容量下降和庫倫效率低。產生這種現象的原因主要有硫元素導電性差、硫元素在充放電過程中體積變化較大、充放電過程中形成的多硫化物的溶解使得活性硫元素損失并產生穿梭效應。

眾所周知，硫是一種不導電的物質，硫無論是作為單質還是硫化鋰這一類的化合物存在都是絕緣體，硫在25℃的環境條件下，其電導率只有5×10^-30S/cm，而正由于其的導電性能非常差，對于電荷的傳遞造成很大的阻礙，而鋰硫電池中的正極材料的導電性能直接影響了其利用率。針對硫元素導電性差的問題，研究者提出了諸多改進方法，其中尋找合適的纖維狀導電劑替代現有的球形石墨和炭黑類導電劑是一種重要途徑。纖維狀導電碳材料具有較大的比表面積，有利于形成連續的導電網絡，與顆粒狀物相比，纖維狀導電碳材料形成的導電通道具有更好穩定性，不易被正極絕緣產物完全覆蓋。目前研究者選用的纖維狀導電碳材料主要有碳納米管及氣相生長碳纖維（VCF），結果表明這些材料在提高電極材料導電性方面具有一定的效果，但存在的問題是，碳納米管和VCF尺寸太小，在電極材料中難以分散，影響了導電網絡的形成。碳纖維屬于微米級材料，擁有比碳納米管和VCF更好的分散能力，?與乙炔黑等球形導電劑復配使用，在保證導電劑在電極材料中均勻分散、良好接觸的基礎上，又可以形成導電網絡，提高正極材料的導電性能，增加電池的放電容量。

發明內容

本發明的目的是提供一種鋰硫電池正極材料用復合導電劑，在導電劑與正極材料良好接觸的基礎上，可在電極材料中形成良好的導電網絡，并且容易分散，成本低。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種鋰硫電池正極材料用復合導電劑，將碳纖維與乙炔黑復配使用，碳纖維在復合導電劑中的質量百分比為1~90%。

優選的，所述的碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，其直徑小于7微米，拉伸模量大于230GPa，最好在390?GPa以上；拉伸模量越高，碳纖維的導電性越好。

復合導電劑中碳纖維的含量越高，導電劑越容易形成導電網絡，但缺點是復合導電劑與正極材料的接觸面積降低，這是由于碳纖維尺寸比乙炔黑大，比表面積低。優選的，碳纖維在復合導電劑中的質量百分比為20%~80%。

本發明還保護上述導電劑的制備方法，首先將碳纖維進行預處理，出去上膠劑，將除去上漿劑的碳纖維用球磨機研磨到長為6~20微米，長徑比為3-6，再加入乙炔黑，混合得到。

優選的，所述碳纖維與乙炔黑按質量比1：4~4：1，更優選為1:1。

優選的，所述預處理步驟為，在室溫下將碳纖維浸在丙酮中，放置24小時以洗去碳纖維表面的上膠劑；或者氮氣保護下450℃左右熱處理除去碳纖維表面的上膠劑。碳纖維制品表面通常有一層保護性涂層（即上膠劑），在制備導電劑時，要除去碳纖維表面的上膠劑。

優選的，長徑比為5。

優選的，球磨機采用行星式球磨機，在200-400轉/分條件下球磨0.5-2小時。

優選的，所述混合為加入溶劑超聲分散混合，過濾，并烘干。

優選的，所述溶劑為乙醇水溶液，超聲分散混合時間為1-3小時，烘干溫度為100-120℃。