CN101478061A - 一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池,在硫/碳复合正极材料中,碳材料具有高比表面积,其制备方法是:1)将原料高比表面碳和硫放入玛瑙研钵中研磨,混合均匀;2)将上述混合物放入一个充满惰性气体的密封容器中,然后在马福炉中加热处理,先在150℃保持6h后,再继续升温到300℃并保持2h~4h。本发明的优点是:由于高比表面积碳具有丰富的孔结构,能有效的阻止反应过程中多硫化物的溶解,从而改善电池的循环性能;由于碳材料良好的导电性能,复合后可改善整个电极的导电性,提高活性材料硫的利用率;该锂电池具有导电性好,比容量高、循环稳定性好等优点;制备方法简单,成本低廉,具有良好的实用前景。

Description

一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池及其制备方法
技术领域:
本发明涉及锂电池及其电极材料制备技术,特别是一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池及其制备方法。
背景技术:
近年来,由于全球信息业的迅速发展,电动汽车、移动通讯设备及各种便携式电子消费品的发展普及,使得市场对二次电池的需求量逐步增大,同时也对二次电池的性能提出了更高要求。金属锂/硫二次电池,理论比容量为1675mAh/g,质量比能量为2600mAh/g(Wang JL,Yang J,Xie JY,Xu NX.A novel conductivepolymer-sulfur composite cathode material for rechargeable lithiumbatteries.Adv.Mater.2002,14,963),完全可以满足相应技术设备对化学电源的要求。硫用作正极材料具有价格低廉及无毒等优点,但由于硫单质为绝缘体,作为正极活性物质放电过程中产生的多硫化物溶解在有机电解质中,造成活性物质的利用率低、循环性能差,严重阻碍了其商品化进程(Marmorstein D,YuTH,Striebel KA,McLarnon FR,Hou J,Cairns EJ.Electrochemicalperformance of lithium/sulfur cells with three different polymerelectrolytes.J.Power Sources 2000,89,219)。
典型的锂/硫二次电池,一般具有两个放电平台,对应与单质硫逐步被还原为高阶的多硫化物,低阶的多硫化物及硫化物。Mikhaylik等(Mikhaylik YV,Akridge JR.Polysulfide shuttle study in the Li-S battery system.J.Electrochem.Soc.2004,151,A1969-76)认为这两个放电平台对应于如下的反应过程:
S 8 0 + 4 e - = 2 S 4 2 -
S 4 2 - + 4 e - = 2 S 2 - + S 2 2 -
在多硫化物生成和溶解在电解质后,在电极反应过程中会产生一种传输机制(Akridge JR,Mikhaylik YV,white N.Li/S fundamental chemistry andapplication to high-performance rechargeable batteries.Solid stateionic 2004,175,243),破坏金属锂负极,同时造成活性物质的损失,表现为循环性能差、容量衰减。
在多种文献报道中,制备硫/碳复合材料,由于可以在一定程度上阻止传输机制的发生,可提高整个电极的导电性,从而能改善硫电极的电化学性能。王久林等(Wang JL,Yang J,Xie JY,Xu NX,Li Y.Sulfur-carbon nano-compositeas cathode for rechargeable lithium battery based on gel electrolyte.Electrochem Commun 2002,4,499)用硫与活性碳进行复合作为正极材料、采用聚合电解质、用金属锂作为负极做成电池后,循环二十周后容量仍可稳定在440mAh/g;郑伟等(Zheng W,Liu YW,Hu XG,Zhang CF.Novel nanosizedadsorbing sulfur composite cathode materials for the advanced secondarylithium batteries.Electrochim Acta 2006,51,1330)用碳纳米管和硫复合作为正极材料、采用有机电解质、用金属锂作为负极做成电池后,循环六十周后容量仍可保持在500mAh/g(硫作为活性材料);.Wang等(Wang J,Chew SY,ZhaoZW,Ashraf S,Wexler D,Chen J,et al.Sulfur-mesoporous carboncomposites in conjunction with a novel ionic liquid electrolyte forlithium rechargeable batteries.Carbon 2008,46,229)用介孔碳和硫进行复合作为正极材料、采用添加了离子液体的混合电解质、用金属锂作为负极做成电池后,循环四十周后容量仍可保持在500mAh/g左右,但是容量一直有所衰减。
发明内容:
本发明的目的是针对上述常规锂/硫二次电池存在的问题,提供一种导电性能好、比容量高、循环稳定性好、且制备方法简单、成本低廉的以硫/碳复合材料为正极的锂电池及其制备方法。
本发明的技术方案:
一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池,包括正极、负极和电解质,以硫/碳复合材料为正极,金属锂为负极,电解质为混合溶剂型有机电解液。
所述硫/碳复合正极材料中,碳材料具有高比表面积。
所述混合型有机电解液为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照体积比1:4:5所配的混合溶剂,支持电解液为六氟磷酸锂。
所述硫/碳复合正极材料的制备方法,步骤如下:1)将高比表面碳和硫放入玛瑙研钵中研磨,混合均匀,碳和硫的重量比为1:5;2)将上述混合物放入一个充满惰性气体的密封容器中,然后在马福炉中加热处理,其升温程序为:先在150℃保持6h后,再继续升温到300℃并保持2h~4h,升温速率均为10℃/min。
所述高比表面碳制备方法,步骤如下:1)将重量比为1:3的聚丙烯腈和无水碳酸钠混合均匀,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,搅拌4h,减压蒸馏除去溶剂,得到固态混合物;2)将上述固态混合物在惰性气体保护下,放入管式炉中进行焙烧,其升温程序为:先在150℃保持2h,升温速率3℃/min,再升温到750℃并保持2h,升温速率为8℃/min;3)焙烧所得样品先用水冲洗至PH值呈中性,然后用乙醇清洗三次,60℃下干燥至恒重即可。
本发明的优点是:以硫/高比表面碳为正极材料的锂二次电池,由于高比表面碳具有丰富的孔结构,能有效的阻止反应过程中多硫化物的溶解,从而改善电池的循环性能;另外由于碳材料良好的导电性能,进行复合后,可以改善整个电极的导电性,提高活性材料硫的利用率;与其他含S-S键的正极材料相比,该锂电池具有导电性好,比容量高、循环稳定性好等优点;同时制备方法简单,成本低廉,具有良好的实用前景。
附图说明:
图1为以硫/碳复合材料为正极的锂离子电池结构示意图。
图2为碳/硫复合正极材料电极反应示意图。
图3为高比表面碳/硫复合材料在40mA/g电流密度下的首周放电容量。
图4为高比表面碳/硫复合材料在电流密度为40mA/g的放电条件下从第二周开始的循环曲线图。
具体实施方式:
实施例:
一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池,如图1所示,以硫/高比表面碳复合材料为正极,金属锂为负极,电解质为混合溶剂型有机电解液,制备方法如下:
1)高比表面积碳的制备:称取1g聚丙烯腈和3g无水碳酸钠于100mL N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌4h,减压蒸馏除去溶剂,得到固态混合物;所得的固态混合物在在惰性气体保护下于管式炉中进行焙烧。相应升温程序如下:先在150℃保持2h,升温速率3℃/min;接着升温到750℃保持2h,升温速率为8℃/min;焙烧所得样品用水洗到PH值中性,然后用乙醇洗三次,60℃下干燥至恒重。BET测试表明其比表面积为1472.9m2/g。
2)碳/硫复合材料的制备:在玛瑙研钵中,将0.1g高比表面积碳和0.5g硫进行简单研磨,使之混合均匀;所得混合物放入一充满惰性气体的密封容器中,然后在马福炉中加热处理,即得所制备复合材料;其升温程序如下:先在150℃保持6h,接着升温到300℃保持3h,升温速率均为10℃min;硫含量为57%.
3)用上述碳/硫复合材料制备正极:将碳/硫复合材料、乙炔黑和PTFE按照7:2:1的重量比混合,乙醇为分散剂,充分搅拌使混料均匀,然后擀片、冲片,50℃干燥24h备用,所制备圆极片直径为8mm。
用上述极片为正极、金属锂为负极、电解液为1mol/L的LiPF6溶液,溶剂为碳酸丙烯酯,碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照体积比1:4:5所配的混合液,在手套箱中组装成电池。
对所装电池在室温条件下进行充放电研究,充放电电压范围为:1.0V~3.0V:如图2所示,碳/硫复合材料正极充电时低价多硫化物转变为高价多硫化物,放电时高价多硫化物转变为低价多硫化物;如图3所示,在40mA/g的电流密度下,首周放电容量为1155mAh/g;如图4所示,循环至50周容量稳定在740mAh/g。

Claims (5)

1.一种以硫/碳复合材料为正极的锂电池,包括正极、负极和电解质,其特征在于:以硫/碳复合材料为正极,金属锂为负极,电解质为混合溶剂型有机电解液。
2.根据权利要求1所述的以硫/碳复合材料为正极的锂电池,其特征在于:所述硫/碳复合正极材料中,碳材料具有高比表面积。
3.根据权利要求1所述的以硫/碳复合材料为正极的锂电池,其特征在于:所述混合型有机电解液为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和碳酸二乙酯按照体积比1:4:5所配的混合溶剂,支持电解液为六氟磷酸锂。
4.一种硫/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于步骤如下:1)将高比表面碳和硫放入玛瑙研钵中研磨,混合均匀,碳和硫的重量比为1:5;2)将上述混合物放入一个充满惰性气体的密封容器中,然后在马福炉中加热处理,其升温程序为:先在150℃保持6h后,再继续升温到300℃并保持2h~4h,升温速率均为10℃/min。
5.根据权利要求4所述的硫/碳复合正极材料的制备方法,其特征在于:所述高比表面碳制备方法,步骤如下:1)将重量比为1:3的聚丙烯腈和无水碳酸钠混合均匀,加入N,N-二甲基甲酰胺溶剂中,搅拌4h,减压蒸馏除去溶剂,得到固态混合物;2)将上述固态混合物在惰性气体保护下,放入管式炉中进行焙烧,其升温程序为:先在150℃保持2h,升温速率3℃/min,再升温到750℃并保持2h,升温速率为8℃/min;3)焙烧所得样品先用水冲洗至PH值呈中性,然后用乙醇清洗三次,60℃下干燥至恒重即可。
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