[發(fā)明專利]一種具有功能中間層的硫正極材料及其制備與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010157162.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-09
• 公開（公告）號(hào): CN111416121B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閔宇霖;鄭帥;時(shí)鵬輝;范金辰;徐群杰;朱晟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電力大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/62
• 分類號(hào): H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 吳文濱

本發(fā)明涉及一種具有功能中間層的硫正極材料及其制備與應(yīng)用，采用商業(yè)凱夫拉纖維和過渡金屬鹽溶液作為原料，制備出具有功能中間層的硫正極材料。本發(fā)明與其他鋰硫電池的改性相比，由于原料來自于杜邦公司生產(chǎn)的芳綸纖維，生產(chǎn)技術(shù)成熟，可用于大規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)其溶解和復(fù)合的步驟簡單，易于制備，且涂敷烘干后得到的具有功能中間層的硫正極材料用于鋰硫電池中，其循環(huán)性能和倍率性能得到了很大的提升，并在70℃高溫下電池也可以正常運(yùn)行，拓寬了鋰硫電池適用的溫度區(qū)間；制備方法簡單，成本低廉，性能優(yōu)異，適合大規(guī)模商業(yè)電池的生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池電極材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有功能中間層的硫正極材料及其制備與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰硫電池以硫單質(zhì)為陰極，以金屬鋰為陽極。放電時(shí)，陽極反應(yīng)為鋰失去電子變?yōu)殇囯x子，陰極反應(yīng)為硫與鋰離子及電子反應(yīng)生成硫化物。由于發(fā)生多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因此，其具有很高的理論比容量，比容量高達(dá)1672mAh/g。另外，由于硫單質(zhì)具備環(huán)境污染小、無毒、成本低、原料來源廣泛等特點(diǎn)，因此，鋰硫電池受到越來越多的關(guān)注。

隔膜是鋰硫電池中的一個(gè)重要組成部分，用于分離陰極和陽極，以避免內(nèi)部短路，同時(shí)有助于自由鋰離子在電極之間運(yùn)輸。鋰硫電池隔膜通常為聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)等非極性薄膜，鋰硫電池在放電過程中產(chǎn)生的多硫化物(Li₂S_x，其中，4≤x≤8)具有高極性特征，并且極易溶于電解液。多硫化物溶解引起的寄生反應(yīng)嚴(yán)重影響了Li-S電池的循環(huán)性能和庫侖效率。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的鋰硫電池隔膜很難抑制多硫化物擴(kuò)散，進(jìn)而使多硫化物在陰極和陽極之間穿梭，導(dǎo)致陰極含硫結(jié)構(gòu)的不可逆破壞。上述隔膜的缺點(diǎn)導(dǎo)致鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性差，實(shí)際比容量低等一系列問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有功能中間層的硫正極材料及其制備與應(yīng)用，通過氫氧化鎳與凱夫拉-鎳離子纖維復(fù)合的分散液涂敷在鋰硫電池正極表面，烘干溶劑后，在硫正極表面形成一層功能中間層，抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)并提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能，解決鋰硫電池中多硫化物的穿梭效應(yīng)導(dǎo)致的低循環(huán)性能和低倍率性能的技術(shù)問題。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種具有功能中間層的硫正極材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

1)凱夫拉納米纖維/二甲基亞砜分散液的制備：將凱夫拉纖維、氫氧化鉀加入至無水二甲基亞砜中，充分分散后，得到凱夫拉納米纖維/二甲基亞砜分散液；

2)氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液的制備：將鎳鹽溶解在二甲基亞砜中，得到鎳鹽溶液，之后將鎳鹽溶液滴加至凱夫拉納米纖維/二甲基亞砜分散液中，充分分散后，得到混合溶液，之后將水緩慢滴加至劇烈攪拌狀態(tài)下的混合溶液中，反應(yīng)1-2天后，得到氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液(通過簡單的溶劑共混和原位還原得到氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液)；

3)純氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液的制備：將氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液進(jìn)行固液分離后，用水對(duì)固體進(jìn)行清洗，以洗去其中的氫氧化鉀雜質(zhì)，之后將固體再次加入至二甲基亞砜中，充分分散后，得到純氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液；

4)硫正極極片的涂敷；將純氫氧化鎳與凱夫拉纖維-鎳離子纖維復(fù)合分散液涂布在硫正極極片上，干燥后即得到具有功能中間層的硫正極材料。

進(jìn)一步地，步驟1)中，所述的凱夫拉纖維與氫氧化鉀的質(zhì)量比為1:(1.5-4)，每1g凱夫拉纖維加入至(100-1000)mL無水二甲基亞砜中。凱夫拉纖維為美國杜邦公司生產(chǎn)的芳綸纖維材料的品牌名，材料原名叫“聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺”。凱夫拉纖維的種類優(yōu)選為K29、K49或K49AP。

進(jìn)一步地，步驟1)中，所述的分散為攪拌分散，所述的攪拌分散的溫度為20-50℃，攪拌時(shí)間為7-10天。