CN102509780B - 一种锂电池正极复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂电池正极复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锂电池正极复合材料及其制备方法；旨在提供一种具有良好的硫分散性、电化学性能的锂电池正极复合材料；材料由下述质量比的原料，用溶剂混合均匀后涂布在铝箔上经干燥后形成；所述的原料包括硫单质85％，乙炔黑12.5％～14.9％，铜粉0.1％～2.5％，和上述原料质量3～5％的粘合剂；制备方法包括下述步骤：1)称取下述质量比的原料：硫单质85％，乙炔黑12.5％～14.9％，铜粉0.1％～2.5％；2)将步骤1)称取的硫单质完全溶解于二硫化碳中形成二硫化碳溶液；3)将乙炔黑、铜粉、聚偏氟乙烯粉末与步骤2)所得的二硫化碳溶液混合，得到乳状液；4)将步骤3)所得的乳状液涂覆在铝箔上，经干燥、裁剪得到锂硫电池的硫电极；属于电极材料技术领域。

Description

一种锂电池正极复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料，具体的说是，一种锂电池正极复合材料，本发明还涉及该复合材料的制备方法，属于电池材料技术领域。
背景技术
锂硫电池的理论能量密度(2600Wh/kg)是钴酸锂系锂离子电池的4.5倍，是磷酸铁锂系锂离子电池的6.6倍，具有显著的优势，且成本低廉、环境友好，能够满足目前市场对化学电源轻量化、小型化、低成本和无毒性的紧迫要求，近年来受到广泛关注。但是，锂硫电池进入商业化还有不少技术难题有待克服，如正极活性物质硫的低电导率(室温下为5×10-30S/cm)以及中间产物多硫化物的溶解性引起的“飞梭效应”。同时，硫的电化学反应是多电子、多步骤的，这虽使硫的理论容量高达1675mAh/g，但反应历程复杂，而且硫电极的结构、体积伴随变化，所以实际上硫电极的优异性能难于发挥。因此，锂硫电池的研究多围绕如何改善硫电极的性能而展开，主要为：一是添加导电剂，使其与硫充分接触来提高硫电极的导电性；二是添加能够吸附多硫化物、抑制多硫化物溶解的具有多孔结构、高比面积的物质以及相应电解液，减弱硫电极的自放电。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有良好的硫分散性、电化学性能的锂电池正极复合材料，本发明还提供该材料的制备方法。
本发明的前一技术方案是这样的：一种锂电池正极复合材料，该材料是由下述质量比的原料，用溶剂混合均匀后涂布在铝箔上经干燥后形成；所述的原料包括硫单质85％，乙炔黑12.5％～14.9％，铜粉0.1％～2.5％，和上述原料质量3～5％的粘合剂。
上述的一种锂电池正极复合材料中，所述的铜粉为纳米级铜粉；所述的粘合剂为聚偏氟乙烯。
本发明的后一技术方案是这样的：一种锂电池正极复合材料的制备方法，依次包括下述步骤：
1)按权利要求1所述的质量比称取硫单质、乙炔黑、铜粉；
2)将步骤1)称取的硫单质完全溶解于二硫化碳中形成二硫化碳溶液；
3)将乙炔黑、铜粉、聚偏氟乙烯粉末与步骤2)所得的二硫化碳溶液混合，得到乳状液；
4)将步骤3)所得的乳状液涂覆在铝箔上，经干燥、辊压、裁剪制成锂硫电池的硫电极极片。
上述的一种锂电池正极复合材料的制备方法中，步骤2)中所述的硫单质与二硫化碳的质量比为1∶19。
上述的一种锂电池正极复合材料的制备方法中，步骤4)中所述的涂布量为100g～200g/m2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本方法所得的复合材料中硫颗粒、铜粉等填充在碳材料的孔中而被其包覆，提高了硫在碳材料中的分散性(具有良好的硫分散性)，使硫与导电性良好的铜、碳材料充分接触；该复合材料显示出了较高的放电比容量和良好的循环性能。
2、本发明所提供的复合材料制备方法简单，操作容易，成本低廉。
附图说明
图1是实施例1复合材料制得的硫电极与空白材料制得的硫电极首次放电对比曲线图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种锂电池正极复合材料，该材料由下述质量比的原料组成：硫单质85％，乙炔黑12.5％，纳米级铜粉2.5％，粘合剂采用聚偏氟乙烯，用量为上述原料质量的3～5％。
该复合材料的制备方法，依次包括下述步骤：1)称取硫单质8.5千克，乙炔黑1.25千克，纳米级铜粉0.25千克，聚偏氟乙烯0.3千克；2)在常温下将称取的硫单质完全溶解于161.5千克的二硫化碳中形成二硫化碳溶液；3)在常温下将乙炔黑、铜粉、聚偏氟乙烯粉末与步骤2)所得的二硫化碳溶液混合，得到乳状液；4)将步骤3)所得的乳状液涂覆在铝箔上，涂布量在100g～200g/m2；经干燥、辊压、裁剪等成锂硫电池的硫电极。
该硫电极60℃下真空干燥24h后在充满氩气的手套箱中进行扣式实验电池(直径20mm、厚度3.2mm)装配，以制备的电极为正极，金属锂为负极，隔膜采用聚丙烯多孔膜(型号：Cegard2400)，电解液为1mol/L的LiCF3SO3/PC+DOL。
充放电测试温度为20～25℃，电流密度为0.05mA/cm2，放充电电压范围为1.5～3.0V。
参阅附图1，复合材料制得的硫电极与空白材料制得的硫电极首次放电对比曲线图，其中空白材料中无纳米铜，其中单质硫、乙炔黑的质量比为87.5∶12.5，其它同实施例1。由此可见，硫电极的首次放电比容量达1263.6.6mAh/g(以硫作为计算依据)，说明实施例1制备的锂电池正极复合材料显示出了良好的放电比容量和循环性能。
实施例2
锂电池正极复合材料的制备和实验电池的制作与测试均同实施例1，但如下参数有变：
硫单质、乙炔黑、纳米铜粉末的质量比为85∶13∶2。
硫电极的首次放电比容量达1288.9mAh/g(以硫作为计算依据)。
实施例3
锂电池正极复合材料的制备和实验电池的制作与测试均同实施例1，但如下参数有变：
硫单质、乙炔黑、纳米铜粉末的质量比为85∶13.5∶1.5。
硫电极的首次放电比容量达1201.3mAh/g(以硫作为计算依据)。
实施例4
锂电池正极复合材料的制备和实验电池的制作与测试均同实施例1，但所选溶剂有变：
硫单质、乙炔黑、纳米铜粉末的质量比为85∶14∶1。
硫电极的首次放电比容量达1158.7.4mAh/g(以硫作为计算依据)。
实施例5
锂电池正极复合材料的制备和实验电池的制作与测试均同实施例1，但所选碳材料有变：
硫单质、乙炔黑、纳米铜粉末的质量比为85∶14.9∶0.1。
硫电极的首次放电比容量达1133.4mAh/g(以硫作为计算依据)。
本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (5)

1.一种锂电池正极复合材料，其特征在于，该材料是由下述质量比的原料，用溶剂混合均匀后涂布在铝箔上经干燥后形成；所述的原料包括硫单质85％，乙炔黑12.5％～14.9％，铜粉0.1％～2.5％，和上述原料质量3～5％的粘合剂；所述的铜粉为纳米级铜粉。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池正极复合材料，其特征在于，所述的粘合剂为聚偏氟乙烯。
3.权利要求1所述的一种锂电池正极复合材料的制备方法，其特征在于，依次包括下述步骤：
1)按权利要求1所述的质量比称取硫单质、乙炔黑、铜粉；
2)将步骤1)称取的硫单质完全溶解于二硫化碳中形成二硫化碳溶液；
3)将乙炔黑、铜粉、聚偏氟乙烯粉末与步骤2)所得的二硫化碳溶液混合，得到乳状液；
4)将步骤3)所得的乳状液涂覆在铝箔上，经干燥、辊压、裁剪制成锂硫电池的硫电极极片。
4.权利要求3所述的一种锂电池正极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的硫单质与二硫化碳的质量比为1﹕19。
5.权利要求3所述的一种锂电池正极复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中所述的涂布量为100g～200g/m2。
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