[發(fā)明專利]一種鋰硫電池的正極活性材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410829217.3
• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104505516A
• 公開（公告）日: 2015-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田艷紅;譚杰成;張學(xué)軍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/04
• 代理公司: 北京五月天專利商標(biāo)代理有限公司 11294
• 代理人: 王天桂

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極材料領(lǐng)域，具體涉及一種鋰硫電池的正極活性材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，包括筆記本電腦和移動通訊設(shè)備的各種手提式電子設(shè)備進(jìn)來日益受到人們的關(guān)注。人們對設(shè)備要求變得更輕，更薄，因此就對高能量密度的電池也提出了更高的要求。

鋰硫電池是滿足這些要求的有吸引力的電池之一，因?yàn)榱騺碓磸V泛且廉價的，還比較環(huán)保，且顯出良好的能量密度，硫的理論單位容量密度為1675?mA?h/g，所以在高能量密度電池中更占有優(yōu)勢。

鋰硫電池使用具有硫-硫鍵的硫基化合物或者硫單質(zhì)為正極活性物質(zhì)，金屬鋰片為負(fù)極活性物質(zhì)。放電（電化學(xué)還原）過程中，硫-硫鍵斷裂，硫的氧化數(shù)下降，當(dāng)再次充電（電化學(xué)氧化）過程，硫-硫鍵重新形成，硫的氧化數(shù)升高，電能以化學(xué)能的形式重新存儲在電池中，放電時又重新轉(zhuǎn)化為電能。

盡管有相當(dāng)大的優(yōu)勢，鋰硫電池存在的問題卻阻礙其廣泛應(yīng)用。因?yàn)榱蚣傲虻幕衔镉泻芎秒娮雍碗x子絕緣性。為了確保高電流下的可逆電化學(xué)反應(yīng)，硫必須保持與添加的導(dǎo)電劑的緊密接觸。制備繁多的鋰硫復(fù)合材料主要被用于這個目的，但是它們往往受到接觸面積的比例的限制，有的還受到通電網(wǎng)絡(luò)的限制。為此有研究者制得包含硫正極的離子導(dǎo)電劑，液體電解質(zhì)被用作不僅充放電的媒介，而且被用作含硫正極的離子導(dǎo)電劑。然而這又帶來了電解質(zhì)的進(jìn)入困難的問題。另一個主要的障礙是在電池的充放電過程中的容量衰減問題。這主要是活性物質(zhì)在放電和充電過程中在電解質(zhì)中溶解，由于在充放電的過程中形成的反應(yīng)中間體多硫化物會擴(kuò)散到電解液中，從而使活性物質(zhì)減少，進(jìn)而造成比容量衰減。另外，在循環(huán)中，多硫化物陰離子還有可能通過隔膜到達(dá)負(fù)極，形成反應(yīng)副產(chǎn)物，也會造成活性物質(zhì)的損失。

因此，研究者通常會采取添加導(dǎo)電劑的方法來改善鋰硫電池導(dǎo)電性，另外采取像包覆聚合物等改性方法來提高電池比容量和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明一方面提供了用于鋰硫電池的正極材料的復(fù)配導(dǎo)電劑，它具有良好的導(dǎo)電性，并且表現(xiàn)出較高的比容量；另一方面提供了一種制備含有復(fù)配導(dǎo)電劑的鋰硫電池正極材料及其制備方法。另外，本發(fā)明提供了對包含復(fù)配導(dǎo)電劑的鋰硫電池進(jìn)行包覆改性方法。

具體的技術(shù)方案如下：

一種鋰硫電池的正極活性材料，包括：

集流體；

在集流體上的活性物質(zhì)；和

作為改善硫?qū)щ娦缘膹?fù)配導(dǎo)電劑，

所述的復(fù)配導(dǎo)電劑選自乙炔黑和碳纖維的復(fù)配；

以及作為改性劑的聚合物包覆層。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的活性物質(zhì)是升華硫?；钚晕镔|(zhì)是電池的重要組成部分，也是影響電池性能的重要因素。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的碳纖維選自模量大于230GPa的聚丙烯腈基碳纖維連續(xù)長絲。更優(yōu)選是采用拉伸強(qiáng)度大于2.8GPa，拉伸模量大于390GPa的聚丙烯腈基碳纖維連續(xù)長絲。模量越高，導(dǎo)電率越高。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的復(fù)配導(dǎo)電劑乙炔黑和碳纖維要經(jīng)過球磨處理。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的復(fù)配導(dǎo)電劑必須進(jìn)行混合均勻。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述的正極活性材料還包括在活性物質(zhì)和復(fù)配導(dǎo)電劑上的作為改性劑的聚合物包覆層。

在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實(shí)施方案中，包覆層通常選自PEG（聚乙二醇），聚苯胺和葡萄糖。優(yōu)選為聚苯胺或PEG。更優(yōu)選為PEG。

本發(fā)明還保護(hù)上述鋰硫電池的正極活性材料的制備方法，包括如下的步驟：

（1）將碳纖維進(jìn)行球磨處理得到微米級的碳纖維粉末，然后按照比例稱取活性物質(zhì)、乙炔黑和碳纖維粉末，進(jìn)行研磨，使得活性物質(zhì)和兩種導(dǎo)電劑能夠混合均勻，得到初始的正極活性材料；

（2）將PEG完全溶解在去離子水中，放在超聲波震蕩器上超聲震蕩，得到濃度均勻PEG溶液，再將步驟（1）得到的初始的正極活性材料添加到PEG溶液中，再放在超聲波震蕩器上超聲震蕩，使得初始的正極活性材料均勻地分散在PEG溶液中得到均勻分散的懸浮液，再把制得的懸浮液放在磁力攪拌器上在50-70℃攪拌2-4h進(jìn)行包覆，包覆完成后進(jìn)行靜置0.5-1h，然后過濾，過濾后的固體放到真空烘箱中在50-70℃下干燥4-6h，再將干燥后的固體進(jìn)行研磨得到固體粉末；