CN104269554A - 一种室温钠硫电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种室温钠硫电池正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室温钠硫电池正极材料及其制备方法，正极材料是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂按照8～10:1的重量比复合形成的。制备方法包含以下步骤：将活性物质硫与有机物或者无机物，采用包含溶剂溶液法、高温复合法、高能球磨法、砂磨法、研磨法、气相沉积法和液相沉积法中的一种复合方法，复合成为硫复合活性材料，然后将硫复合活性材料与导电剂按照8～10:1的重量比混合，得到室温钠硫电池正极材料。本发明的室温钠硫电池拥有较高的容量密度，对电池容量发挥起到重要作用，同时还具有较好的循环性能，提高电池的使用寿命，用于室温钠硫电池上具有安全、廉价、高效等优点。

Description

一种室温钠硫电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及钠硫电池技术领域，具体涉及一种室温下使用的钠硫电池的正极材料。
背景技术
作为新型的二次电池，钠硫电池逐渐的收到重视，随着日本NGK公司的钠硫电池的商业化运营，以及在全世界建立起来的钠硫电池储能电站投入运营，以及因为钠硫电池的大电流、高功率放电以及价格便宜等因素，使得钠硫电池在储能领域有着独特的优势，目前国内外相关领域科研人员争相研究、研发和生产钠硫电池。
但是传统的钠硫电池运行温度较高，通常为350℃，在此温度下金属钠以及硫均为液态，如果陶瓷隔膜出现穿刺、破裂现象就会导致电池发生燃烧，具有很大的危险性和不稳定因素，因此这种钠硫电池不仅应用条件苛刻、应用范围较低，仅仅能够应用到一些对安全要求不高，比如储能电站等这种远离人口聚集地的位置，而且运行维护成本高。
而室温钠硫电池不仅解决了钠硫电池运行温度高、维护成本高的问题，同时大大提高了电池的安全性能，拓宽了应用领域，同时还具有较大的成本优势，因此研发室温钠硫电池成为了目前钠硫电池研发的热点问题。而正极材料影响到电池的效率和循环性能，因此正极材料是室温钠硫电池的关键技术之一，由此正极材料的性能越来越显示出其在室温钠硫电池中的重要性，正极材料的性能不仅关系到钠硫电池的性能，还关系到电池的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：针对现有技术中存在的问题，提供一种能有效提高室温钠硫电池中硫的储存以及利用，提高硫的利用效率，同时提高在电池充放电过程中硫的循环效率，提高钠硫电池的性能和使用寿命的室温钠硫电池正极材料。
本发明所要解决的第二个技术问题是：针对现有技术中存在的问题，提供一种室温钠硫电池正极材料的制备方法，该方法制备的正极材料能有效提高室温钠硫电池中硫的储存以及利用，提高硫的利用效率，同时提高在电池充放电过程中硫的循环效率，提高钠硫电池的性能和使用寿命。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：
一种室温钠硫电池正极材料，所述正极材料是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂按照8：1～10:1的重量比复合形成的。
作为一种改进，所述硫复合活性材料为活性物质硫与有机物或者无机物按照1：1～5的重量比复合而成的。
优选的，所述有机物或者无机物包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯、硅、二氧化硅、钛、二氧化钛、钛酸钠、硅酸钠中的至少一种。
优选的，所述活性物质硫与有机物或者无机物的复合方式包含溶剂溶液法、高温复合法、高能球磨法、砂磨法、研磨法、气相沉积法和液相沉积法。
作为进一步的优选，所述高温复合法包含真空高温复合法、常压高温复合法和高压高温复合法。
作为进一步的优选，所述溶剂溶液法所用溶剂包括二硫化碳、水、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
优选的，所述导电剂为碳材料。
作为进一步的优选，所述碳材料包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯中的至少一种。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：
室温钠硫电池正极材料的制备方法，包含以下步骤：将所述活性物质硫与有机物或者无机物，采用包含溶剂溶液法、高温复合法、高能球磨法、砂磨法、研磨法、气相沉积法和液相沉积法中的一种复合方法，按照1：1～5的重量比复合成为硫复合活性材料，然后将所述硫复合活性材料与所述导电剂按照8～10:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料。
优选的，所述高温复合法的温度范围在60～200℃之间；所述溶剂溶液法的温度范围为0～100℃；所述高能球磨法、砂磨法、研磨法的混合时间为0.5～72小时。
优选的，所述有机物或者无机物包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯、硅、二氧化硅、钛、二氧化钛、钛酸钠、硅酸钠中的至少一种。
优选的，所述高温复合法包含真空高温复合法、常压高温复合法和高压高温复合法。
优选的，所述溶剂溶液法所用溶剂包括二硫化碳、水、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
优选的，所述导电剂为碳材料。
作为进一步的优选，所述碳材料包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯中的至少一种。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明的室温钠硫电池正极材料，采用硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂复合形成，采用硫复合活性材料的方式来存储硫，同时复合方式能够提供较高的硫利用率。电池正极材料中的复合物的作用是将电子传导到与之复合的硫之中，解决硫的导电性差问题，同时，复合物提供一定的容积来容纳硫及放电反应产物，为电池反应提供空间，并借助复合物的较高的表面积来提高硫的接触面积，提高硫的利用率。导电剂的作用则能更进一步的提高复合物的导电性。因此，本发明的正极材料在钠硫电池中拥有较大的放电效率和循环效率，能够提高硫的利用率，降低成本，为实现室温钠硫电池商业化、产业化提供了一种性能优良的正极材料。
本发明优选导电性能强并能很好的与活性物质硫复合的有机物与无机物复合后得到的硫复合活性材料，与优选的碳导电剂按照优选的比例混合得到的正极材料，正极的容量密度达到850mAh/g以上，循环次数达到950次以上，拥有较高的容量密度，对电池容量发挥起到重要作用，同时还具有较好的循环性能，提高了电池的使用寿命，用于室温钠硫电池上具有安全、廉价、高效等优点。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。应理解，以下实施例仅用来说明本发明，是本发明优选的具体实施方式，而不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种室温钠硫电池正极材料，是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂按照8:1的重量比复合形成的，其中，硫复合活性材料是由活性物质硫与石墨复合而成的，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在25℃下测试，正极的容量密度为880mAh/g，循环次数达到965次。
实施例2
一种室温钠硫电池正极材料，是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂碳材料按照10:1的重量比复合形成的，其中，硫复合活性材料是由活性物质硫与乙炔黑、石墨烯两种无机物按照硫与无机物1：2的重量比复合而成的，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在22℃下测试，正极的容量密度为850mAh/g，循环次数达到950次。
实施例3
一种室温钠硫电池正极材料，是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂石墨碳材料按照9:1的重量比复合形成的，其中，硫复合活性材料是由活性物质硫与活性炭按照1：3的重量比复合而成的，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在20℃下测试，正极的容量密度为990mAh/g，循环次数达到1010次。
实施例4
一种室温钠硫电池正极材料，是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂乙炔黑碳材料按照9:1的重量比复合形成的，其中，硫复合活性材料是由活性物质硫与碳纳米管按照1：4的重量比，采用溶剂溶液法复合而成的，溶液法的溶剂为甲苯，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在25℃下测试，正极的容量密度为870mAh/g，循环次数达到1030次。
实施例5
一种室温钠硫电池正极材料，是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂碳纳米管碳材料按照8:1的重量比复合形成的，其中，硫复合活性材料是由活性物质硫与热解碳按照1：3.5的重量比，采用高温复合法复合而成的，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在15℃下测试，正极的容量密度为890mAh/g，循环次数达到985次。
实施例6
将活性物质硫粉与介孔碳粉混合，按照1：5的重量比复合，采用溶剂溶液法的复合方法，将活性物质硫粉与介孔碳粉的混合物放入二硫化碳溶液中，60℃下混合搅拌12小时，经过蒸发将二硫化碳蒸出，得到的混合材料即为硫复合活性材料，然后与导电剂碳材料乙炔黑按照9:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在22℃下测试，正极的容量密度为950mAh/g，循环次数达到990次。
实施例7
将活性物质硫粉与氧化石墨烯粉混合，按照1：2的重量比复合，采用真空高温复合法放入到真空高温炉中，在真空状态下加热到155℃加热反应15小时，然后将得到的固体粉碎，成为硫复合活性材料，然后与导电剂碳材料乙炔黑按照10:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在18℃下测试，正极的容量密度为1150mAh/g，循环次数达到989次。
实施例8
将活性物质硫与二氧化硅混合，按照1：2.5的重量比，采用高能球磨法复合，在高能球磨机下球磨12小时，复合成为硫复合活性材料，然后与导电剂碳材料乙炔黑按照8:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在25℃下测试，正极的容量密度为1080mAh/g，循环次数达到1201次。
实施例9
将活性物质硫与石墨混合，按照1：3的重量比复合，采用真空高温复合法复合，将硫与石墨的混合物放入到真空高温炉中，在真空状态下加热到180℃加热反应12小时，然后将得到的固体粉碎，成为硫复合活性材料，然后与导电剂碳材料石墨烯按照8.5:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在25℃下测试，正极的容量密度为1000mAh/g，循环次数达到980次。
实施例10
将活性物质硫与钛酸钠混合，按照1：4的重量比，采用高能球磨法复合，在高能球磨机下球磨20小时，复合成为硫复合活性材料，然后与导电剂碳材料活性炭按照9.5:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料，然后经过调浆、涂布、干燥等步骤得到正极片。利用这种正极片组装室温钠硫电池，在25℃下测试，正极的容量密度为1005mAh/g，循环次数达到970次。

Claims (10)

1.一种室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述正极材料是硫复合活性材料与具有导电作用的导电剂按照8～10:1的重量比复合形成的。
2.如权利要求1所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述硫复合活性材料为活性物质硫与有机物或者无机物按照1：1～5的重量比复合而成的。
3.如权利要求2所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述有机物或者无机物包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯、硅、二氧化硅、钛、二氧化钛、钛酸钠、硅酸钠中的至少一种。
4.如权利要求2所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述活性物质硫与有机物或者无机物的复合方式包含溶剂溶液法、高温复合法、高能球磨法、砂磨法、研磨法、气相沉积法和液相沉积法。
5.如权利要求4所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述高温复合法包含真空高温复合法、常压高温复合法和高压高温复合法。
6.如权利要求4所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述溶剂溶液法所用溶剂包括二硫化碳、水、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、氯仿、四氯化碳、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述导电剂为碳材料。
8.如权利要求7所述的室温钠硫电池正极材料，其特征在于：所述碳材料包括石墨、乙炔黑、活性炭、碳纳米管、热解碳、介孔碳、氧化石墨烯、石墨烯中的至少一种。
9.如权利要求2所述的室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤：将所述活性物质硫与有机物或者无机物，采用包含溶剂溶液法、高温复合法、高能球磨法、砂磨法、研磨法、气相沉积法和液相沉积法中的一种复合方法复合成为硫复合活性材料，然后将所述硫复合活性材料与所述导电剂按照8～10:1的重量比混合，得到所述室温钠硫电池正极材料。
10.如权利要求9所述的室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述高温复合法的温度范围在60～200℃之间；所述溶剂溶液法的温度范围为0～100℃；所述高能球磨法、砂磨法、研磨法的混合时间为0.5～72小时。
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