[發明專利]一種三明治結構型鋰硫電池正極片的制備方法

有效

• 申請號: 201811389770.4
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109546076B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 張敏剛;魏世偉;陳峰華;閆時建;李英杰
• 申請（專利權）人: 太原科技大學
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/139;H01M10/052;C23C14/06;C23C14/24;C23C14/35
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 趙禛

本發明涉及一種利用磁控濺射聯合氣相沉積技術制備三明治結構型鋰硫電池正極片的方法，屬于新能源材料技術領域，解決現有技術制備的電池正極片電極循環性能差的技術問題。解決方案為包括以下步驟：a、基片預處理；b、磁控濺射氛圍準備；c、鋁箔基片表面磁控濺射沉積第一碳元素層；d、第一碳元素層的外側表面氣相沉積硫元素層；e、硫元素層外側表面上磁控濺射第二碳元素層，制得碳?硫?碳三明治結構型鋰硫電池正極片。本發明提供的一種三明治結構型鋰硫電池正極片的制備方法，不使用粘結劑就可以充分緊密接觸，使導電性較好的碳直接與集流體的鋁箔接觸，降低接觸電阻，改善了正極片的導電性能，可以提高鋰硫電池的電化學性能。

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，涉及一種利用磁控濺射聯合氣相沉積技術制備三明治結構型鋰硫電池正極片的方法。

背景技術

鋰硫電池具有高的理論比容量和理論能量密度，原料單質硫儲量豐富并且對環境友好，是下一代電化學儲能設備中的極具發展潛力的高能化學電源體系。鋰硫電池存在的一些問題限制了其實際使用，例如：硫作為正極材料有導電性差、循環性能差等缺點，充放電過程中多硫化物易溶解于電解液中，導致活性物質的不可逆損失和容量衰減，電極結構發生膨脹和收縮，使電極材料出現剝落、坍塌，導致電池容量較快衰減，因此抑制多硫化物的擴散和提高循環過程中正極結構的穩定性是鋰硫電池的研究重點；正極片通常采用碳材料作為硫的導電骨架，碳硫復合材料通常需要加入粘結劑混合制備漿料，常用的粘結劑聚偏氟乙烯（PVDF）具有較強的粘接能力，但粘結劑會降低導電性，同時在有機溶液中易溶脹，會造成活性物質顆粒剝落，電極的循環性能變差等問題。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的不足，提供一種利用磁控濺射聯合氣相沉積的技術制備三明治結構型鋰硫電池正極片的方法，通過磁控濺射將碳顆粒濺射到鋁箔表面制備碳元素層，再將硫氣相沉積至碳元素層上制備硫元素層，重復磁控濺射碳顆粒于硫元素層上制得三明治結構型正極片，以提高鋰硫電池的電化學性能。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現。

一種三明治結構型鋰硫電池正極片的制備方法，包括以下步驟：

a、基片預處理：首先，選取表面光滑的鋁箔作為基片，超聲波清洗后干燥處理，獲得表面清潔的鋁箔；然后，將表面清潔的鋁箔按所使用的磁控濺射鍍膜設備的裝載尺寸進行裁切，獲得符合裝載尺寸形狀和大小要求的鋁箔；最后，將裁切后的鋁箔置于磁控濺射室內并用高溫膠帶固定在基片托架上，將碳靶材安放至靶材支架上；

b、磁控濺射氛圍準備：用真空泵對磁控濺射室內抽真空，直至磁控濺射室內的真空度為10^-4Pa；然后，向磁控濺射室內持續充入氬氣，調整磁控濺射室內的真空度至0.6-1.2Pa并保持；

c、鋁箔基片表面磁控濺射沉積第一碳元素層：啟動磁控濺射鍍膜設備，使磁控濺射室內填充的氬氣電離，氬離子轟擊碳靶材，將碳原子濺射至鋁箔表面，當鋁箔表面沉積的第一碳元素層的厚度為5-50um時，關閉磁控濺射鍍膜設備，停止磁控濺射，待鋁箔和第一碳元素層冷卻后從磁控濺射室中取出，留待后步使用；

d、第一碳元素層的外側表面氣相沉積硫元素層：雙溫區真空管式爐包括對稱設置的高溫區和低溫區，高溫區與低溫區之間設置有隔板，真空管貫穿高溫區和低溫區并延伸至爐體的外部，在真空管中與爐壁和隔板位置對應處分別設置有塞體；首先，向瓷舟中加入單質硫，將瓷舟放置于雙溫區真空管式爐的高溫區內，將步驟c制得的表面沉積有第一碳元素層的鋁箔平置于雙溫區真空管式爐的低溫區內，并且第一碳元素層一側向上放置；其次，向真空管內通入保護氣，將雙溫區真空管式爐的高溫區以3-5℃/min的升溫速率升溫至150-200℃，將雙溫區真空管式爐的低溫區以3-5℃/min的升溫速率升溫至40-60℃，升溫后的雙溫區真空管式爐保溫30-180min，第一碳元素層的外側表面氣相沉積硫元素層，硫元素層厚度為5-50um；最后，待硫元素層冷卻至室溫后取出，即獲得碳-硫復合正極片；