[發明專利]一種聚合物包覆硫碳復合正極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710994135.8
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107863509A
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 張成龍;朱麗麗
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙)34115
• 代理人: 金凱

技術領域

本發明涉及鋰電池正極材料技術領域，具體是一種聚合物包覆硫碳復合正極材料的制備方法。

背景技術

隨著經濟的快速發展和人類生活水平的不斷提高，能源問題和環境問題已經成為亟待解決的問題。而鋰電池由于其具有較高的能量密度、較好的循環性能以及綠色無污染等優點受到了全球范圍內的關注。然而人類對電池的能量密度需求增長遠遠高于當前商業化電池技術的進步。因此開發各種新型高比能電池成為當務之急。

在新型的電化學儲能體系中，鋰空氣電池具有最高的能量密度，但由于鋰空氣電池中涉及到復雜的異相反應反應，有很多問題尚未解決，短期內無法應用；鋰硫電池是目前公認的除了鋰空氣電池以外能量密度最高的電池體系，鋰硫電池以單質硫為正極材料，金屬鋰為負極，理論比能量高達2600Wh/kg，工作電壓為2.1V，與目前各種市場需求的電壓范圍相適應，是目前公認的最有發展前途的二次電池體系之一。

鋰硫二次電池存在的主要問題。首先是單質硫和放電產物硫化鋰導電性差，很難傳遞電荷，且放電產物硫化鋰的可逆性差，易失去電化學活性，從而造成活性物質的損失。其次如上邊機理，放電過程中單質硫首先被還原為長鏈多硫離子而溶解進入到有機電解液中，溶解的長鏈多硫離子穿過隔膜遷移到負極被還原成短鏈多硫離子，其中一部分短鏈多硫離子重新遷回正極造成“穿梭效應”，該效應越強烈電池過充現象就越明顯；另一部分短鏈多硫離子在負極鋰上進一步被還原成不溶物造成對鋰負極的腐蝕。在反復的穿梭過程中活性物質硫不斷損失導致電池的容量不斷衰減，循環性能變差。此外，單質硫的密度存在較大差異，在循環過程中還會出現明顯的體積膨脹，造成硫正極結構的破壞。

目前鋰硫電池主要的解決方法有：構建特殊結構，抑制充放電過程中電解液的體積膨脹及活性材料的溶解；采用對多硫化物具有吸附左右的物質作為硫基體；功能性隔離膜與功能性添加劑。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺陷，提供一種聚合物包覆硫碳復合正極材料的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案實現：

一種聚合物包覆硫碳正極復合材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將碳材料與單質硫按質量比1:1-1:9進行球磨混合，并在120-300℃的溫度下保溫處理4-8h，得到硫碳復合材料；

(2)將高分子聚合物溶解于去離子水，配置成一定濃度的高分子聚合物水溶液；

(3)將硫碳復合材料轉移至行星式攪拌機，高分子聚合物水溶液按照一定的比例加入到行星式攪拌機，攪拌一定時間，60℃烘箱烘干，得到聚合物包覆硫碳復合正極材料。

進一步方案，所述步驟(1)中碳材料為導電炭黑、乙炔黑、碳納米管、石墨烯中的一種或多種；所述單質硫為升華硫。

進一步方案，所述步驟(2)中高分子聚合物為羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯中的一種或幾種。

進一步方案，所述步驟(2)中高分子聚合物濃度為1-30wt％。

進一步方案，所述步驟(3)中行星式攪拌機公轉速度5-20rpm，分散速度200-800rpm，攪拌時間1-3h。

進一步方案，所述步驟(3)混合過程中固含量為60-90％。

進一步方案，所述步驟(3)中硫碳正極材料與高分子聚合物的重量比為49:1-9:1。

進一步方案，所述步驟(3)制備的聚合物包覆硫碳復合正極材料中硫含量為45-90％。

本發明的有益效果：

1、本方法在制備過程中不經過高溫和特殊的實驗設備，便于批量生產；整個過成中不涉及對環境有害的物質，工藝環保。

2、整個過程不涉及化學反應，從投料到得到產品，物質利用率接近100％。

3、本發明在攪拌過程中采用行星式攪拌機和高固含量分散，有助于高分子聚合物在固體顆粒表面的包覆。

4、本發明有效的在硫碳復合正極材料表面均勻的包覆上一層高分子聚合物，抑制充放電過程中多硫化物向電解液的溶解，顯著改善硫碳復合正極材料的循環性能。

5、本發明所采用的高分子聚合物中含有含氧官能團，對充放電過程中的中間產物具有一定的吸附作用，減少充放電過程中活性材料的損失。

附圖說明

圖1為實施例1制備的CMC包覆碳納米管硫復合正極材料的SEM圖。

圖2為實施例1制備的CMC包覆碳納米管硫復合正極材料與未經過CMC包覆的碳納米管硫復合材料在0.5C的電流密度下的循環性能。

具體實施方式