CN103022500A - 一种硫锂电池正极复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫锂电池正极复合材料及其制备方法：称取葡萄糖，浓硫酸、水和模板剂二氧化硅焙烧，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管；多孔碳纳米管、升华硫、稀土氧化钆加入酒精中，球磨混料，加热使升华硫熔化并扩散至多孔碳纳米管的孔中，得到碳/硫复合正极材料。本发明制备的碳/硫复合正极材料，采用多孔碳纳米管，使得升华硫更好的沉积和扩散在碳结构中，并添加了稀土氧化钆，因此该正极材料在具备高的能量密度之外，还具有稳定的循环性能，用于硫锂电池时，比容量高，高温性能好，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种硫锂电池正极材料的制备方法，尤其涉及一种比容量高，高温性能好，使用寿命长的硫锂电池复合正极材料、及其制备方法。
背景技术
近年来，随着科技的不断进步，各种电子产品的快速发展，要求所用的化学电源具有质量轻、体积小、容量大等特点。虽然通过改进现有电池材料制备和电池制作工艺在一定程度上可以提高电池的性能，但较大幅度提高电池的能量密度还得靠新材料的开发。
在众多研究的电池体系中，金属锂硫电池被认为是最具应用潜力的。用作正极活性物质的单质硫理论比容量为1675mAh/g，质量比能量为2600Wh/kg（金属锂与硫完全反应后生成Li2S），远远高于现行的锂离子二次电池材料LiCoO2、LiMnO2和LiFePO4等。同时单质硫正极材料具有来源丰富价格便宜、对环境友好、电池安全性好等优点。
然而，锂硫电池的发展还存在很多问题。锂硫电池采用金属锂作为负极，在充放电循环过程中，负极表面将发生金属锂的反复溶解和沉积反应，在金属锂表面发生粉化以及形成枝晶，对电池的安全性构成严重威胁，同时也缩短了电池的循环寿命。
因此，迫切需要提供一种具有高容量、循环性能好的硫锂电池正极复合材料的制备方法。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种硫锂电池正极复合材料的制备方法，使用该方法制备的正极复合材料用于锂离子电池时，具有比容量大、循环性能好等特点。
为了实现上述目的，本发明提供的一种硫锂电池正极复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤1，制备多孔碳纳米管
按照重量比1∶(0.05-0.2)∶(1-10)∶(0.5-2)称取葡萄糖、浓硫酸、水和模板剂二氧化硅，混合后均匀搅拌3-6小时，加热：升温速率为每小时升温10-20℃，温度升至150-200℃，保持3-8小时；
溶剂蒸发后，将混合物在惰性气体保护下焙烧，升温速率为每小时升温50-80℃，温度升至500-700℃，保持4-7小时；
去除模板剂二氧化硅，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管；
步骤2，配比正极复合材料的原材料
按如下物质重量份配比正极复合材料的原材料：
上述多孔碳纳米管 10-25
升华硫 50-100
氧化钆 1-3
步骤3，制备碳/硫复合正极材料
将所得混合物按重量比2∶1加入体积浓度≥70%酒精，惰性气体环境中，进行12-20小时的球磨混料，然后将经球磨后的混合料在80-95℃，惰性气体保护下烘干；
加热烘干后的混合物，使升华硫熔化并扩散至多孔碳纳米管的孔中，加热温度控制在160-180℃之间，恒温5-8小时；
升高温度使单质硫升华并进一步沉积到碳材料基体中，温度范围为350-450℃，恒温3-6小时，得到碳/硫复合正极材料。
其中，所述惰性气体可以是氮气和/或氩气，优选为氮气。
其中，步骤3中，所述烘干时间优选为10-15小时。
其中，步骤1中，去除模板剂二氧化硅的方法优选为：将焙烧后的混合物放入氢氧化钾中搅拌10-15小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管；
本发明还提供了一种上述方法制备的硫锂电池正极复合材料。
本发明制备的碳/硫复合正极材料，采用多孔碳纳米管，使得升华硫更好的沉积和扩散在碳结构中，并添加了稀土氧化钆，因此该正极材料在具备高的能量密度之外，还具有稳定的循环性能，用于硫锂电池时，比容量高，高温性能好，使用寿命长。
具体实施方式
实施例一
制备多孔碳纳米管
按照重量比1∶0.05∶1∶0.5称取葡萄糖，浓硫酸和水和模板剂二氧化硅，混合后均匀搅拌3小时，将混合物放入烘箱中，烘箱升温速率为每小时升温10-20℃，温度升至150℃，保持8小时，溶剂蒸发后，将混合物放入有惰性气体保护的高温反应釜中焙烧，高温反应釜升温速率为每小时升温50℃，温度升至500℃，保持7小时，将焙烧后的混合物放入氢氧化钾中搅拌10小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管。
配比正极复合材料的原材料
按如下物质重量份配比正极复合材料的原材料：
上述多孔碳纳米管 10；
升华硫 50；
稀土氧化钆 1。
制备碳/硫复合正极材料
将所得混合物按重量比2∶1加入体积浓度≥70%酒精，放入一充满惰性气体的密封容器中，进行12小时的球磨混料，然后将经球磨后的混合料在80℃，流动N2气体保护下烘干10小时。
加热烘干后的混合物，使升华硫熔化并扩散至多孔碳纳米管的孔中，加热温度控制在160℃之间，恒温8小时。升高温度使单质硫升华并进一步沉积到碳材料基体中，温度范围为350℃，恒温6小时，得到碳/硫复合正极材料。
实施例二
制备多孔碳纳米管
按照重量比1∶0.2∶10∶2称取葡萄糖，浓硫酸和水和模板剂二氧化硅，混合后均匀搅拌6小时，将混合物放入烘箱中，烘箱升温速率为每小时升温20℃，温度升至200℃，保持3小时，溶剂蒸发后，将混合物放入有惰性气体保护的高温反应釜中焙烧，高温反应釜升温速率为每小时升温80℃，温度升至700℃，保持4小时，将焙烧后的混合物放入氢氧化钾中搅拌15小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管。
配比正极复合材料的原材料
按如下物质重量份配比正极复合材料的原材料：
上述多孔碳纳米管 25；
升华硫 100；
稀土氧化钆 3。
制备碳/硫复合正极材料
将所得混合物按重量比2∶1加入体积浓度≥70%酒精，放入一充满惰性气体的密封容器中，进行20小时的球磨混料，然后将经球磨后的混合料在95℃，流动N2气体保护下烘干10小时。
加热烘干后的混合物，使升华硫熔化并扩散至多孔碳纳米管的孔中，加热温度控制在180℃，恒温5小时。升高温度使单质硫升华并进一步沉积到碳材料基体中，温度范围为450℃，恒温3小时，得到碳/硫复合正极材料。
比较例
以升华硫为正极，掺入质量百分比为10%的LiNi0.5Co0.5O2，混合物与乙炔黑、聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比80∶10∶10混合均匀，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，在不锈钢球磨罐中以200rpm的速度球磨4h，将得到的膏状浆液均匀涂布在集流体Al箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干20小时备用。
分别将上述实施例一和实施例二的碳/硫复合正极材料乙炔黑、聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比80∶10∶10混合均匀，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，得到正极浆料，同比较例中一样制成正极备用。然后将备用的正极和比较例中的正极，分别和石墨组成的负极，Celgrad2300为隔膜，1mol/L双三氟甲基磺酸酰亚胺锂（LiTFSI）/乙二醇二甲醚（DME）+1,3-二氧戊烷（DOL）（体积比1∶1）为电解液组装成锂硫电池。在测试温度为25℃下进行电性能测试，经测试该实施例一和二的的材料与比较例的材料相比，首次放电比容量提升了50-60%以上，循环寿命提高2倍以上。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (5)
1.一种硫锂电池正极复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制备多孔碳纳米管
按照重量比1∶(0.05-0.2)∶(1-10)∶(0.5-2)称取葡萄糖、浓硫酸、水和模板剂二氧化硅，混合后均匀搅拌3-6小时，加热：升温速率为每小时升温10-20℃，温度升至150-200℃，保持3-8小时；
溶剂蒸发后，将混合物在惰性气体保护下焙烧，升温速率为每小时升温50-80℃，温度升至500-700℃，保持4-7小时；
去除模板剂二氧化硅，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管；
步骤2，配比正极复合材料的原材料
按如下物质重量份配比正极复合材料的原材料：
上述多孔碳纳米管 10-25
升华硫 50-100
氧化钆 1-3
步骤3，制备碳/硫复合正极材料
将所得混合物按重量比2∶1加入体积浓度≥70%酒精，惰性气体环境中，进行12-20小时的球磨混料，然后将经球磨后的混合料在80-95℃，惰性气体保护下烘干；
加热烘干后的混合物，使升华硫熔化并扩散至多孔碳纳米管的孔中，加热温度控制在160-180℃之间，恒温5-8小时；
升高温度使单质硫升华并进一步沉积到碳材料基体中，温度范围为350-450℃，恒温3-6小时，得到碳/硫复合正极材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气和/或氩气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述烘干时间为10-15小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，去除模板剂二氧化硅的方法为：将焙烧后的混合物放入氢氧化钾中搅拌10-15小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的多孔碳纳米管。
5.一种如权利要求1所述方法制备的硫锂电池正极复合材料。
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