[發明專利]一種基于碳化海帶的電極材料的制備方法和鋰硫電池

有效

• 申請號: 202011251755.0
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112290025B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 王鳳霞;楊俊;張紅;李仕琦
• 申請（專利權）人: 甕福（集團）有限責任公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M4/13;H01M4/139;H01M10/052
• 代理公司: 貴陽中工知識產權代理事務所 52106
• 代理人: 王蕊

本發明公開了一種基于碳化海帶的電極材料的制備方法和鋰硫電池，包括以下步驟：步驟S1，得到預處理后的海帶材料；步驟S2，將海帶碳化，硫擴散至碳化海帶材料中，從而形成一種自支撐式碳/硫復合材料。采用本發明的技術方案，無需添加粘連劑，碳化后的海帶作為電極材料的支撐骨架，具有良好的結構穩定性，海帶經過碳化后形成的多孔碳結構可以給擴散其中的硫提供體積變化空間，有效克服鋰硫電池在充放電過程中因正極活性材料體積膨脹而造成的電極坍塌的問題。本發明方法制備而成的自支撐式碳/硫復合材料具有良好結構穩定性，可以應用于鋰硫電池。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，尤其涉及一種基于碳化海帶的電極材料的制備方法和鋰硫電池。

背景技術

隨著對經濟高效儲能技術需求的日益增長，引發了對先進電池系統的不斷探索。目前主導便攜式電子設備的鋰離子電池最高能量密度已接近極限，仍不能滿足新興電動汽車的需求。鋰硫電池采用含量豐富的硫元素作為正極材料，由于其理論比容量及能量密度高、成本低，已成為下一代儲能設備最有前景的候選材料之一。

與當前鋰離子電池不同的是，鋰硫電池的化學反應基于16Li?+?S₈→?8Li₂S，在提供高比容量的同時，也存在著一些關鍵問題阻礙鋰硫電池的發展。其中包括硫和硫化鋰的電子導電性差；硫化鋰的不均勻沉積引起鋰枝晶；正極硫反應為硫化鋰時體積膨脹（約80%）引起電極崩塌；中間產物聚硫鋰（Li₂S_x，4≤x≤8）溶解至有機電解液中，在正負極之間產生“穿梭效應”，造成硫元素的不可逆損失，降低庫倫效率和循環容量，增加了界面電阻，且反應產物為電子導電性差的Li₂S₂和Li₂S時，會將負極金屬鋰包覆致使無法導電，電池將無法繼續工作。因此，若想將鋰硫電池替代當前的鋰離子電池投入商用，必須設計合理的硫正極來解決上述存在的問題。

生物質纖維素以及生物質聚合物因其富含纖維素和木質素，經過高溫碳化可以轉化為碳材料，可被用作碳材料前驅體。目前，將木材、椰子殼、香蕉皮、甘蔗渣等生物質經過碳化，提取的活性炭已經被用作儲能設備的電極材料。海帶是一種多年生大型食用藻類，形狀呈扁平帶狀，含有豐富的纖維素，產量較高且成本低廉，但現有技術中并沒有將其作為制備電極材料的記載。

發明內容

本發明要解決的技術問題是針對現有技術提出一種基于碳化海帶制備電極材料的方法，將海帶經過碳化轉化為活性炭材料，形成的多孔碳結構可以很好的容納活性材料硫，之后將硫粉熔融滲入碳化海帶中，得到自支撐式碳/硫復合結構，從而提供一種制備電極材料的新方法。該方案在制備過程中不需要添加黏合劑，應用于鋰硫電池中。

本發明提供的一種基于碳化海帶制備自支撐碳/硫復合材料的鋰硫電池電極材料的方法，包括以下步驟：

步驟S1，得到預處理后的海帶材料；

步驟S2，將海帶碳化，硫擴散至碳化海帶材料中，從而形成一種自支撐式碳/硫復合材料。

其中，所述步驟S1進一步包括以下步驟：

S10：將海帶用去離子水浸泡清洗6小時，每隔1~3小時更換去離子水，去除海帶中雜質；

S11：清洗后的海帶選取厚度均勻的部分，裁剪出直徑為1.6厘米的圓片；

所述步驟S2進一步包括以下步驟：

S20：將預處理后的海帶圓片置于管式爐中，在氬氣氣氛保護下，以2~5℃/min升溫至600~900℃煅燒2~6小時；

S21：煅燒完成后自然降溫，得到基于碳化海帶的活性炭材料，稱其重量；