[發(fā)明專(zhuān)利]以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極及制備和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811257374.6
• 申請(qǐng)日: 2018-10-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111106309A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張洪章;賈子陽(yáng);李先鋒;張華民
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/13
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/13;H01M4/139;H01M10/0567
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明公開(kāi)了一種制備以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極及其在鋰硫電池中的應(yīng)用，所述以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極，以碳硫復(fù)合物為電極主體，氟化碳顆粒均勻分布于碳硫復(fù)合物連續(xù)相內(nèi)。氟化鋰與鋰硫電池中間產(chǎn)物多硫化物之間存在極性相互作用，增強(qiáng)電極固硫性能。產(chǎn)物碳可以增強(qiáng)電極導(dǎo)電性，同時(shí)放電過(guò)程便隨的體積膨脹會(huì)增加電極孔隙率，增強(qiáng)電極的電解液浸潤(rùn)性和傳質(zhì)能力。氟化碳可以一定程度上替代導(dǎo)電劑的作用，尤其是對(duì)于鋰硫一次電池而言在改善電池性能的同時(shí)不會(huì)造成能量密度的過(guò)多損失。以氟化碳為添加劑的碳硫混合電極具有更優(yōu)異的循環(huán)性能、倍率性能和容量發(fā)揮，顯著增強(qiáng)電極綜合性能，具有良好應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池用以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極的制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

移動(dòng)電子設(shè)備和動(dòng)力電源的不斷發(fā)展對(duì)電池的能量密度和功率密度提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的鋰離子電池受到電解液穩(wěn)定窗口和鋰離子嵌入脫出機(jī)制的限制，比容量提升空間有限，所以發(fā)展新的二次電池體系是迫切的需求。鋰硫電池具有1672mAh g^-1比容量和2500Wh kg^-1比能量，相對(duì)于傳統(tǒng)的二次電池體系在能量密度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。活性物質(zhì)硫具有儲(chǔ)量大，成本低廉，毒性低，環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鋰硫電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四部分組成，電池總反應(yīng)方程式為：16Li+S₈→8Li₂S，在電池循環(huán)過(guò)程中主要由于(1)正極放電過(guò)程伴隨80％體積膨脹；(2)正極活性物質(zhì)硫?qū)щ娦圆睿?3)飛梭效應(yīng)(多硫化物溶解在電解液中受濃度影響在正負(fù)極間擴(kuò)散)等，導(dǎo)致電池性能下降，影響鋰硫電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前主要采用碳硫復(fù)合正極來(lái)改善這些缺陷，多孔碳材料可以承受硫在放電過(guò)程中伴隨的體積膨脹，碳材料導(dǎo)電性較好，作為主體材料可以彌補(bǔ)硫?qū)щ娦圆畹娜秉c(diǎn)，同時(shí)孔隙結(jié)構(gòu)可以通過(guò)毛細(xì)作用吸附多硫化物，抑制飛梭效應(yīng)。為進(jìn)一步增強(qiáng)電極的固硫性能，在碳材料中引入氮、氧等雜原子摻雜，通過(guò)雜原子極性基團(tuán)與多硫化物的極性相互作用抑制飛梭效應(yīng)。研究表明吡啶型氮原子與多硫化物間的極性相互作用最強(qiáng)，但是通過(guò)傳統(tǒng)的氮原子摻雜手段，如在氨氣條件下高溫處理或與三聚氰胺混合煅燒等方式，氮原子的含量難以超過(guò)15at％，通常摻雜量在10at％以下并且調(diào)控困難，氮原子活性位點(diǎn)密度較低限制了材料的固硫性能，并且摻雜的氮原子除吡啶氮外還有吡咯型氮和石墨型氮等，它們與多硫化物的相互作用弱與吡啶型氮，進(jìn)而影響了固硫能力。而氟化碳添加劑放電后不僅可以增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性和孔隙率，還因?yàn)楫a(chǎn)生氟化鋰導(dǎo)致電極極性增強(qiáng)，增強(qiáng)與多硫化物的極性相互作用抑制飛梭效應(yīng)，并且添加量易調(diào)控，可以滿足不同種類(lèi)電極的需求。綜上所述，以氟化碳為添加劑的碳硫混合電極具有更優(yōu)異的循環(huán)性能、倍率性能和容量發(fā)揮，顯著增強(qiáng)電極綜合性能，電極制作過(guò)程與傳統(tǒng)碳硫電極相同，不需要額外工序，具有廣闊的應(yīng)用前景。

中國(guó)專(zhuān)利CN108039469A雖然公開(kāi)了一種氟化石墨/硫電極的制備方法，但是該專(zhuān)利僅對(duì)其特定的電極制備方案進(jìn)行了描述，并且該專(zhuān)利描述的方法是以氟化碳/硫復(fù)合材料為主體材料進(jìn)行制備，并不具備將氟化碳應(yīng)用于鋰硫電池碳硫復(fù)合正極的普適性。中國(guó)專(zhuān)利CN107895794A也公開(kāi)了一種以氟化碳和硫?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的電池制備方法，但是該專(zhuān)利描述的制備方法是應(yīng)用于鋰氟化碳電池，僅在電極中添加少量的硫以提高鋰氟化碳電池的比容量，其中硫與氟化碳均為連續(xù)相分布于電極中，與鋰硫電池有較大差異。同時(shí)，以上兩個(gè)專(zhuān)利都只是將氟化碳用于特定結(jié)構(gòu)的一次電池電極來(lái)增加首圈放電容量，并不是應(yīng)用于鋰硫電池領(lǐng)域，并且均未對(duì)氟化碳放電對(duì)電極產(chǎn)生的影響進(jìn)行描述。因此，目前并沒(méi)有關(guān)于氟化碳應(yīng)用于鋰硫電池碳硫復(fù)合電極的相關(guān)報(bào)道，也沒(méi)有關(guān)于氟化碳對(duì)于電極綜合性能影響和作用機(jī)理的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種鋰硫電池用以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種鋰硫電池用以氟化碳為添加劑的碳硫復(fù)合電極。