[發(fā)明專利]一種高性能鋰硫電池正極材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711395569.2
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108258206A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張永光;王新;釗妍
• 申請（專利權(quán)）人: 肇慶市華師大光電產(chǎn)業(yè)研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛(wèi)

本發(fā)明涉及一種高性能鋰硫電池正極材料及其制備方法，所述高性能鋰硫電池正極材料的制備方法如下：S1：利用改進Hummers法制備氧化石墨烯；S2：于攪拌條件下向氧化石墨烯溶液中滴加納米硫磺溶液得混合液，然后在300～650W功率下對混合液進行超聲分散1～5h，最后對混合液進行噴霧干燥處理，即得所述高性能鋰硫電池正極材料；其中，噴霧干燥的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，進風(fēng)量為2～8m3/min，進風(fēng)溫度為150～250℃，進料速度為1～10mL/min,通針?biāo)俣葹?次/5～30s。本發(fā)明提供的制備方法制備得到的鋰硫電池正極材料具有較高的負載量，能夠有效避免“穿梭效應(yīng)”和“體積膨脹效應(yīng)”、電化學(xué)性能優(yōu)異且穩(wěn)定性強。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種高性能鋰硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著電池日益擴展的領(lǐng)域如混合動力汽車、智能電網(wǎng)、便攜式產(chǎn)品等，對其性能提出了越來越高的要求。目前，傳統(tǒng)的商業(yè)鋰離子電池受其自身理論比容量為300mAh/g的限制，導(dǎo)致能量密度不高，很難滿足鋰離子電池實際應(yīng)用質(zhì)量的要求。因此，開發(fā)下一代能量密度高、環(huán)保、低成本的新型鋰離子二次電池具有非常重要的戰(zhàn)略意義。新型鋰硫電池的理論比容量為2600Wh/kg，約為傳統(tǒng)商業(yè)鋰離子電池的五倍，并且作為正極材料的硫環(huán)保無污染，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅茈姵刂弧?/p>

然而，鋰硫電池在實際應(yīng)用上仍存在一些關(guān)鍵難題。其一，單質(zhì)硫在室溫條件下具有電子絕緣性（電導(dǎo)率為5×10-30S·cm-1），降低了電子和離子在以硫為正極材料的正極的傳導(dǎo)率；其二，鋰硫電池的的充放電過程中生成的高價態(tài)聚硫離子在電解液中具有高溶解性，聚硫離子會擴散遷移到鋰負極，與鋰反應(yīng)生成多硫化鋰，產(chǎn)生飛梭效應(yīng)，造成活性物質(zhì)的不可逆損失以及電池容量的衰減；其三，充放電過程中不溶性Li2S不斷負極沉積，會產(chǎn)生鋰枝晶，硫和最終產(chǎn)物L(fēng)i2S的密度不同，硫正極會發(fā)生體積膨脹而碎裂(膨脹比為76%)，這些都會導(dǎo)致鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性變差。因此，如何提高鋰硫電池的循環(huán)壽命，提高正極活性物質(zhì)利用率以及改善體積膨脹問題成為鋰硫電池的研究熱點。

現(xiàn)有技術(shù)中，提高鋰硫電池性能的方案主要是硫基正極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改性，通常通過填充、混合或包覆的方法將單質(zhì)硫和具有高的孔結(jié)構(gòu)的多孔材料進行機械復(fù)合，形成正極復(fù)合材料，從而改善硫基正極的鋰離子電導(dǎo)率和電池的循環(huán)性能。對該多孔材料有以下要求：一，具有化學(xué)穩(wěn)定性，不與多硫化物和金屬鋰發(fā)生反應(yīng)；二，不溶于電解質(zhì)；三，具有較高的鋰離子電導(dǎo)率。石墨烯具有導(dǎo)電性強、比表面積大、電化學(xué)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)柔韌靈活和獨特的二維網(wǎng)絡(luò)幾何結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，可以簡單易行的與硫形成核殼包覆結(jié)構(gòu)。利用石墨烯改性鋰硫電池，具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯可以作為單質(zhì)硫的載體，石墨烯表面具有的含氧功能基團對溶解在電解液中的多硫離子具有較強的吸附力,能夠有效地阻止多硫化物的穿梭效應(yīng),并且能夠為活性物質(zhì)硫提供良好的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠縮短電子與粒子的傳輸路徑，提高硫單質(zhì)的電化學(xué)活性，進而提高鋰硫電池的整體性能。關(guān)于石墨烯/硫復(fù)合正極材料研究的現(xiàn)有技術(shù)也有報道：CN201310153983.8報道了一種硫-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料制備方法，首先制備硫粉、有機胺分散液與石墨烯有機溶劑，將兩者混合得到第三分散液，通過滴加水或酸液進行固液分離，最終得到鋰硫電池正極材料。CN105609773A報道了一種硫摻雜三維結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料的制備方法，采用水熱法以苯磺酸鈉為硫源生成三維硫摻雜石墨烯，在N-甲基吡咯烷酮溶液中加入硫摻雜石墨烯與科琴黑超聲反應(yīng)形成三維結(jié)構(gòu)鋰硫電池正極材料。CN201610671807.7報道了一種泡沫石墨烯鋰硫電池正極片的制備方法，首先將氧化石墨烯和聚丙烯腈球磨混合后分散于乙醇和水的混合溶液，再用泡沫鎳浸泡該溶液使氧化石墨烯進入泡沫鎳，通過熱處理得到泡沫石墨烯，最后將硫涂抹于樣品表面進行硫的摻雜，得到鋰硫電池正極材料。