[發(fā)明專利]一種碳凝膠鋰硫電池正極材料的制備方法

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• 申請日: 2017-06-25
• 公開（公告）號: CN107204449A
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 不公告發(fā)明人
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州思創(chuàng)源博電子科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳凝膠鋰硫電池正極材料的制備方法。

背景技術(shù)

隨著能源消耗和需求的不斷增長，可開發(fā)利用的石油資源日益枯竭，解決能源消耗和隨之而來的環(huán)境污染的沖突已經(jīng)成為一個全球化的問題，因此對潔凈能源太陽能和風能的開發(fā)利用迫在眉睫，而利用這些能源需要安全、低成本、高能量密度和長壽命的電化學(xué)儲能器件來實現(xiàn)。以鉛酸電池、鎮(zhèn)氫電池和鋰離子電池為代表的二次電池作為一種可循環(huán)使用的高效新能源存儲器件，成為緩解能源和環(huán)境問題的一種重要的技術(shù)途徑。特別是近年來迅速發(fā)展的便攜式電子消費品、電動汽車和工具、國防軍事裝備用電源系統(tǒng)，智能電網(wǎng)以及分布式能源系統(tǒng)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，無不顯示出二次電池對當今社會可持續(xù)發(fā)展的支撐作用，以及在新能源領(lǐng)域中不可替代的地位。

以金屬鋰為負極、含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料為正極的鋰硫電池的理論比能量可達到2600Wh/kg(鋰和硫的理論比容量分別為3860mAh/g和1675mAh/g)，遠大于現(xiàn)階段所使用的商業(yè)化二次電池。此外，含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料廉價、環(huán)境友好的特性又使該儲能體系極具商業(yè)價值。然而在現(xiàn)有技術(shù)中，鋰硫電池中對正極活性物質(zhì)硫的利用率不高，其循環(huán)容量衰減嚴重，循環(huán)性能較差，且電化學(xué)性能不佳。為了提高鋰硫電池的性能，目前人們致力于對鋰硫電池的正極材料改性的研究，以提高其導(dǎo)電性和循環(huán)性能。例如將硫填在介孔碳空隙中，介孔碳的加入提高了導(dǎo)電性；此外還有研究工作者采用導(dǎo)電高分子對硫進行改性，導(dǎo)電高分子的加入能夠有效改善鋰硫電池的循環(huán)性能。然而，上述對硫正極材料進行改性的方法雖然能夠提高鋰硫電池的導(dǎo)電性或提高其循環(huán)性能，但是得到的鋰硫電池的能量密度降低，也就是說，這種對硫正極材料進行改性的方法不能從整體上提高鋰硫電池的性能。

其中，碳凝膠材料在高能量密度電池正極材料中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。碳干凝膠具有納米級的膠體顆粒或高聚物分子相互連接所形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且具備比表面積大、孔徑結(jié)構(gòu)可調(diào)、高電導(dǎo)率和水熱穩(wěn)定性等特性。在鋰硫電池中，碳凝膠為導(dǎo)電基底，提升了含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料的導(dǎo)電性，減少了活性物質(zhì)的流失，提升了循環(huán)性能，省去了傳統(tǒng)電極的金屬集流體和粘接劑，提高了電極的能量密度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種碳凝膠鋰硫電池正極材料的制備方法，所述方法使用磷酸鋯鈦作為載體，其層狀效應(yīng)能夠有效抑制電池的自放電過程，而硫顆粒負載于所述磷酸鋯鈦內(nèi)，由于磷酸鋯鈦獨特的層狀結(jié)構(gòu)緊緊包裹住了硫顆粒，能夠有效抑制其放電中間產(chǎn)物多硫化物的溶解，提高了鋰硫電池的循環(huán)性能；本發(fā)明負硫前將碳凝膠內(nèi)部空氣排出，更有利于氣相硫進入碳凝膠的多級孔道結(jié)構(gòu)中，充分發(fā)揮碳凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，另一方面由于氣相硫冷卻速度快，凝固后硫顆粒粒徑細小，能夠分布在碳凝膠微觀結(jié)構(gòu)的空隙中，從而優(yōu)化碳凝膠負載硫的均勻程度，獲得了優(yōu)良的電化學(xué)性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種碳凝膠鋰硫電池正極材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

（1）制備得到含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料

按摩爾比0.4：1.8：4稱量鈦鹽、鋯鹽及含磷化合物，將鈦鹽、鋯鹽溶于10-20倍去蒸餾水中，加入含磷化合物，調(diào)節(jié)pH4-6反應(yīng)2-3h后，靜置8-12h，然后過濾、洗滌、干燥，得到磷酸鋯鈦；

按質(zhì)量比10：（1-2）將硫磺和上述磷酸鋯鈦加入溶劑研磨10-15h后干燥，再次研磨50-150min，然后在惰性氣體下于125-145℃下煅燒8-10h后再在300-350℃煅燒10-15h，得到含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料；

（2）負載凝膠碳

（21）將含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料放入活塞密封氣缸底部，含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料上部疊放碳凝膠材料，裝入活塞； 其中碳凝膠材料與含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料的質(zhì)量比為1：（9-10）；

（22）排出氣缸內(nèi)及碳凝膠材料中的空氣，然后通過氣缸出口通入惰性氣體；

（23）密封氣缸出口，快速推壓活塞，氣缸內(nèi)的惰性氣體由于驟然壓縮而升溫，致使含磷酸鋯鈦鋰硫電池正極材料受熱升華，并在活塞壓力下進入碳凝膠材料的孔道之中，氣缸內(nèi)惰性氣體壓縮比為5-10；

（24）快速抽拉活塞至碳凝膠材料初始長度，惰性氣體因體積膨脹溫度下降，隨著溫度的下降，硫蒸汽凝結(jié)形成納米級顆粒，并均勻分散在碳凝膠材料的孔道中，其中，活塞推壓速度為1-2m/s；

（25）重復(fù)（22）-（24）步操作，即獲得碳凝膠鋰硫電池正極材料。