[發明專利]功能型復合顆粒的無溶劑制備方法、復合顆粒及其應用

有效

• 申請號: 202010689124.0
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111785941B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 王宇;馮蘭祥;楊偉
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 劉文娟

本發明涉及電化學儲能領域，具體涉及一種功能性復合活性顆粒的無溶劑制備方法及功能型復合顆粒及其應用。本發明提供一種功能型復合顆粒的無溶劑制備方法：將低熔點活性物質與高比表面積的納米材料進行機械物理共混，在流場剪切力和熱作用下，各組分實現粉碎，活性物質實現熔融或氣化，進而實現活性物質在納米材料內表面的自發吸附和復合，最終得到功能型復合二次顆粒。本發明提供鋰硫電池正極復合材料的硫蒸汽?熔體復合加工制備方法，該方法不僅能能制得鋰硫電池正極復合材料，而且能夠實現調控該鋰硫電池正極復合材料粒徑的目的；同時本發明的制備方法簡單易行低成本，便于規模化生產。

技術領域

本發明屬于電化學儲能領域，具體涉及一種功能性復合活性顆粒的無溶劑制備方法、及采用該方法制得的功能型復合顆粒及其應用。

背景技術

隨著便攜式電子產品、混動汽車和純電動汽車的廣泛應用，迫切需要開發出更高能量密度和環境友好型的鋰離子電池等儲能器件以滿足市場需求。目前市場商業化的鋰離子電池比容量很難超過300mAh/g，同時在生產、開發和廢物處理中對自然資源和環境造成很大壓力。鋰硫電池因為其原料S豐富低廉、環境友好、高的理論比容量 (1650mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)被認為是未來最有潛力的商業儲能器件之一。然而，鋰硫電池在充放電過程中卻遇到很多問題，如：硫生成的中間價態的絕緣性，多硫化物的“穿梭效應”和鋰負極枝晶等。研究者通過碳基材料、金屬氧化物及其復合材料的結構和功能化設計，有效地改善鋰硫電池正極的導電性和鋰硫電池“穿梭效應”，極大地提高鋰硫電池電化學性能和循環壽命。

目前，鋰硫電池真正實現商業化仍面臨一系列障礙和困難。硫正極作為其中最為關鍵的核心組件，其結構-功能的合理設計與控制、可規模加工制備等都是決定其能否走向實用的關鍵所在。目前制備鋰硫電池正極復合材料的主要方法是化學沉積法和加熱熔融共混法，兩種方法制備的二次顆粒均能實現硫和碳材料或者金屬氧化物的有效復合，實現對硫正極導電性能的改善和一定程度的多硫化物穿梭的抑制。但是，采用上述兩種方法仍具有以下不足：

1.普通加熱熔融法制備出的硫碳等復合物二次顆粒粒徑和形貌均不能實現較好的控制和加工，同時硫單質與碳導電劑的接觸不充分，從而嚴重影響鋰硫電池的電化學性能。

2.化學沉積法雖然能實現形貌和粒徑的較好控制，但是往往涉及化學合成、模板刻蝕、洗滌和離心等復雜工藝和大量溶劑的使用。

同時，兩種方法對設備要求較高，耗時長，生產效率低，不利于鋰硫電池大規模商業化。

發明內容

針對鋰硫電池正極材料復合物二次顆粒的結構和功能目前存在的調控能力差、加工成本高等問題，本發明提供鋰硫電池正極復合材料(功能型復合物二次顆粒)的硫蒸汽-熔體復合加工制備方法，該方法不僅能能制得鋰硫電池正極復合材料，而且能夠實現調控該鋰硫電池正極復合材料粒徑的目的；同時本發明的制備方法簡單易行低成本，便于規模化生產；并且該方法能夠拓展為一種功能型復合顆粒的無溶劑制備方法，所得功能型復合顆粒能夠作為聚合物復合材料的功能填料或電化學催化的活性材料。

本發明的技術方案：

本發明要解決的第一個技術問題是提供一種功能型復合顆粒的無溶劑制備方法，所述制備方法為：將低熔點活性物質與高比表面積的納米材料進行機械物理共混，在流場剪切力和熱作用下，各組分實現粉碎，活性物質實現熔融或氣化，進而實現活性物質在納米材料內表面的自發吸附和復合，最終得到功能型復合二次顆粒；其中，所述低熔點活性物質為熔點低于300℃的活性物質，所述高比表面積的納米材料指比表面積≥50m²/g的納米材料。

進一步，所述高比表面積的納米材料基于碳材料、金屬氧化物、氮化物、有機骨架及它們的相關衍生物。

進一步，所述低熔點活性物質包括但不局限于：硫單質、硒單質、磷單質、錫單質及其化合物(如含硫化合物、含硒化合物、含磷化合物和含錫化合物)。