CN104882586B - 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104882586B
CN104882586B CN201510290090.7A CN201510290090A CN104882586B CN 104882586 B CN104882586 B CN 104882586B CN 201510290090 A CN201510290090 A CN 201510290090A CN 104882586 B CN104882586 B CN 104882586B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sulfur
electrode
lithium
super thick
sulfur electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201510290090.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104882586A (zh
Inventor
刘振
丁建宁
袁宁
袁宁一
仲玉娇
郑祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changzhou University
Original Assignee
Changzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changzhou University filed Critical Changzhou University
Priority to CN201510290090.7A priority Critical patent/CN104882586B/zh
Publication of CN104882586A publication Critical patent/CN104882586A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104882586B publication Critical patent/CN104882586B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621—Binders
    • H01M4/622—Binders being polymers
    • H01M4/623—Binders being polymers fluorinated polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种锂硫电池，特指一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法。其包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述的硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液。其中，所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极。本发明还公开了所述超厚硫电极的制备方法，通过以烧结法制备的超厚硫电极代替传统的涂布方法制备的电极，提高单位面积硫的负载量，从而解决了硫电极厚度不够导致锂硫电池能量密度较低及制备工艺繁琐的问题。以本发明的制备方法制得的超厚硫电极机械性能较好，以此超厚硫电极为正极制备的锂硫电池具有生产成本低，能量密度高的特点。

Description

一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂硫电池，尤其是一种含烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法。
背景技术
与市场上主流的锂离子电池相比，锂硫电池拥有前者2~5倍的理论能量密度，目前，锂硫电池的主流制备方法与目前市场化的锂离子电池接近，即硫电极通过在集流体上涂布的方法获得；受该方法的局限，硫电极中单位面积的硫负载量往往保持在10mg/cm2以下，而更厚的硫电极需要更高比例的粘合剂，将导致硫活性材料在电极中的比例下降而且导致较差的倍率性能，这主要是由于电极材料与集流体的卷绕应力差异造成的，因此该方法制备的锂硫电池中需要应用更多的隔膜材料和集流体材料，以及更加繁复的工艺。这会带来成本的提高，能量密度下降等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其硫电极制备方法。
根据本发明的一实施方式，一种锂硫电池，包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液，其特征在于：所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极。
根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于：所述硫电极中的活性材料为通过溶液法或其他方法制备的碳硫复合物。
根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于：所述超厚硫电极烧结前驱体为碳硫复合物与导电剂与粘合剂按照一定比例的混合物。
根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于：所述前驱体用的粘合剂为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纤维素钠中的一种。
根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于：所述前驱体用的导电剂为乙炔黑或氧化炭黑。
根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于：所述的粘合剂在前驱体中的质量比例为2%~10%，导电剂在前驱体中的比例为0%~15%。
根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于：所述的烧结工艺制备的超厚硫电极烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度。
根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池硫电极，其特征在于：硫电极的厚度区间为2毫米到10毫米。
根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于：所述硫电极在烧结工艺后经过一定浓度的粘合剂溶液浸泡处理；所述的粘合剂溶液为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠的N-甲基吡咯烷酮溶液。
根据本发明的一实施方式，所述的硫电极，其特征在于：所述的硫电极通过模具大小控制电极尺寸。
锂硫电池超厚硫电极的制备方法，其特征在于由以下几个步骤完成：
（1）将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟到360分钟制备前驱体。
（2）前驱体按照一定质量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa~1.0Mpa。
（3）压实后的前驱体放入烘箱中烧结，烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度，烧结时间为5分钟到360分钟。
（4）烧结后的烧结体浸入质量分数为2%~15%的粘结剂溶液中，时间为5分钟到360分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度到100摄氏度下保持2小时到24小时。
根据本发明的另一实施方式，一种制备锂硫电池的方法，其特征在于：包括如下步骤：制备超厚硫电极的步骤，制备超厚锂金属电极的步骤，以及制备扣式电池或软包装电池的步骤。
根据本发明的另一实施方式，所述锂硫电池的制备方法，其特征在于：所述超厚金属锂电极为多片锂箔在集流体上压制而成。
根据本发明的另一实施方式，所述的锂硫电池制备方法，其特征在于：还包括所述硫电极与集流体进行粘结的步骤。
本发明提供了基于烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其硫电极制备方法，通过以烧结法制备的超厚硫电极代替传统的涂布方法制备的电极，提高单位面积硫的负载量，从而解决了硫电极厚度不够导致锂硫电池能量密度较低及制备工艺繁琐的问题；另外，本发明中可以选择不同的碳硫复合物与粘合剂和导电剂相配合，还可以通过改变粘合剂在前驱体中的混合比例，不同程度地影响硫电极的机械强度和相应锂硫电池的性能。
本发明制备的基于超厚硫电极的锂硫电池具有生产成本低，能量密度高的特点；本发明制备的超厚硫电极的锂硫电池性能测试，以本领域常规的方法，即组装成扣式半电池或全电池进行充放电测试考察。
附图说明
图1为实施例1中制备的超厚硫电极。
图2为实施例2，3中制备的超厚硫电极的锂硫电池的容量-电压曲线。
图3为实施例2中制备的超厚硫电极的锂硫电池的循环次数-容量曲线。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式对本发明一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法做详细说明。
在本发明实施方式中的碳硫复合材料为核壳结构，较之其它结构，核壳结构便于烧结过程中提高硫电极的机械强度，但本申请的碳硫复合材料不限于核壳结构，还可以为介孔碳、碳纳米管或其它可包覆硫的碳客体材料。
本发明的实施方式中，所述的碳硫复合材料为CBOS，其制备方法为溶液法。
实施例1
将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨360分钟制备前驱体；其中，粘合剂为聚偏氟乙烯，在前驱体中的质量分数为2%；导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的质量分数为5%。
前驱体按照80毫克每平方厘米模具面积加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa~1.0Mpa。
压实后的前驱体放入烘箱中于170摄氏度烧结10分钟。
烧结后的前驱体浸入质量分数2%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为350分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在100摄氏度下保持2小时。
图1为该实施例制备的超厚硫电极的整体形貌图，厚度5毫米，整体具有一定的机械强度，同时又能很好的渗透电解液。
实施例2
将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟制备前驱体；其中，粘合剂为聚偏氟乙烯，在前驱体中的比例为2%；导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的比例为5%。
前驱体按照实施例1的量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa~1.0Mpa。
压实后的前驱体放入烘箱中于100摄氏度烧结350分钟。
烧结后的前驱体浸入浓度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为10分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度下保持24小时。
实施例3
将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟制备前驱体。其中，粘合剂为聚偏氟乙烯，在前驱体中的比例为8%；导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的比例为5%。
前驱体按照实施例1的量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa~1.0Mpa。
压实后的前驱体放入烘箱中于100摄氏度烧结350分钟。
烧结后的前驱体浸入浓度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为10分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度下保持24小时。
实施例4
取实施例1制备的超厚硫电极，组装成扣式电池进行充放电测试。
扣式电池的测试曲线如图2，3所示。
根据图2可以看出，超厚硫电极可以进行完整的充放电过程，同时实施例2，3考差了粘合剂含量对超厚硫电极制备的锂硫电池的影响，在质量相同或相近的情况下，粘合剂的含量越少，超厚硫电极制备的锂硫电池的电压平台越明显，容量也略高，主要原因是，粘合剂越多，超厚硫电极越致密，活性硫不容易从硫电极中吸出，容量相对较少，不容易形成稳定的电压平台。
根据图3，实施例2中制备的超厚硫电极的锂硫电池的循环次数-容量曲线可以看出，随着充放电的不断进行，活性硫不断被激活，容量略有升高，10个循环以后，容量与初始容量18.6mAh十分接近，超厚硫电极的稳定性较好。

Claims (6)

1.一种锂硫电池，包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液，其特征在于：所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极，硫电极的厚度区间为2毫米到10毫米，所述超厚硫电极的制备方法如下：
(1)将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照比例混合并球磨制备前驱体；
(2)将前驱体按照加入到模具中并压实；
(3)压实后的前驱体放入烘箱中烧结；
(4)烧结后的烧结体浸入到粘结剂溶液中，浸泡后的烧结体放入烘箱中烘干；
所述的步骤(2)中，压实的压力为0.1Mpa～1.0Mpa；
所述的步骤(3)中，烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度，烧结时间为5分钟到360分钟。
2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于：所述硫电极中的活性材料为通过溶液法制备的碳硫复合物。
3.根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于：所述的步骤(1)中，粘合剂在前驱体中的质量比例为2％～10％，导电剂在前驱体中的比例为0％～15％；球磨30分钟到360分钟。
4.根据权利要求3所述的一种锂硫电池，其特征在于：所述粘合剂为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纤维素钠中的一种；所述导电剂为乙炔黑或氧化炭黑。
5.根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于：所述的步骤(4)中，烧结后的烧结体浸入质量分数为2％～15％的粘结剂溶液中，时间为5分钟到360分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度到100摄氏度下保持2小时到24小时。
6.根据权利要求5所述的一种锂硫电池，其特征在于：所述的粘合剂溶液为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠的N-甲基吡咯烷酮溶液。
CN201510290090.7A 2015-06-01 2015-06-01 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法 Expired - Fee Related CN104882586B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510290090.7A CN104882586B (zh) 2015-06-01 2015-06-01 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510290090.7A CN104882586B (zh) 2015-06-01 2015-06-01 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104882586A CN104882586A (zh) 2015-09-02
CN104882586B true CN104882586B (zh) 2018-07-17

Family

ID=53949989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510290090.7A Expired - Fee Related CN104882586B (zh) 2015-06-01 2015-06-01 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104882586B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106410262A (zh) * 2016-10-24 2017-02-15 东莞市联洲知识产权运营管理有限公司 一种高电压高容量锂硫电池

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101562244A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京理工大学 锂二次电池用单质硫复合材料的制备方法
CN101577323A (zh) * 2009-06-11 2009-11-11 上海交通大学 一种二次锂硫电池硫基正极及其制备方法
CN102903887A (zh) * 2011-07-28 2013-01-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种硫电极及其制备和应用

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011028804A2 (en) * 2009-09-02 2011-03-10 Ut-Battelle, Llc Sulfur-carbon nanocomposites and their application as cathode materials in lithium-sulfur batteries

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101562244A (zh) * 2009-06-02 2009-10-21 北京理工大学 锂二次电池用单质硫复合材料的制备方法
CN101577323A (zh) * 2009-06-11 2009-11-11 上海交通大学 一种二次锂硫电池硫基正极及其制备方法
CN102903887A (zh) * 2011-07-28 2013-01-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种硫电极及其制备和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN104882586A (zh) 2015-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103247777B (zh) 锂离子电池用四氧化三钴多壳层空心球负极材料及其制备方法
CN104795543B (zh) 一种凹凸棒基硫复合材料及其制备方法和储能应用
CN109004234A (zh) 一种锂离子二次电池
CN104577041B (zh) 一种以碳纤维布为基体制备锂离子电池负极片的方法
CN109494349A (zh) 负极极片及二次电池
CN105047889B (zh) 一种制备锂硫电池正极材料的方法
CN106159243B (zh) 一种锂电池负极材料及其制备方法
Feng et al. Rational design and superfast production of biomimetic, calendering-compatible, catalytic, sulfur-rich secondary particles for advanced lithium-sulfur batteries
CN107706387A (zh) 一种复合负极材料、其制备方法及锂离子电池
CN108288692A (zh) 改性正极活性材料及其制备方法以及锂二次电池
CN103594687A (zh) 锂氟化碳电池正极的制备方法
CN108975288A (zh) 一种NbSe2电极材料的制备方法及其产品和应用
CN109449383A (zh) 一种高容量全固态锂硫电池
CN104103848A (zh) 一种锰酸锂和镍钴锰酸锂动力电池及其制作方法
Yang et al. A topochemically constructed flexible heterogeneous vanadium-based electrocatalyst for boosted conversion kinetics of polysulfides in Li–S batteries
CN108899522A (zh) 一种高容量硅碳负极材料、制备方法及应用
CN108448115A (zh) 一种锂金属电池负极的不对称骨架结构
CN108155347A (zh) 提升锂离子电池含镍正极材料首次库仑效率方法及其应用
CN109817886A (zh) 电池负极片及其制作方法和锂离子电池
CN111313101A (zh) 低内阻的固态硫化物电解质锂电池电芯、电池及其制备方法
CN106098406A (zh) 一种电池电容器用的正极复合材料
CN105374982A (zh) 一种锂硫电池的电极结构及加工工艺
CN108630899A (zh) 钠离子电池的制造方法
CN105489839A (zh) 铜硅负极及其制备方法
CN104882586B (zh) 一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
EXSB Decision made by sipo to initiate substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20180717