CN108963263A - 一种锂硫电池正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂硫电池正极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂硫电池正极材料，它是由集流体和活性材料组成的。所述的活性材料是由下述重量份的原料组成的：硅微粉10‑17、2,2‑二羟甲基丙酸3‑4、导电增强剂6‑8、单质硫50‑60、粘结剂2‑4，本发明在压制过程中引入了含有聚乙烯蜡的粘结剂，从而进一步提高了材料间的结合稳定性，保证了正极材料的导电和力学稳定性强度。

Description

一种锂硫电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。
背景技术
锂硫电池是锂电池的一种，截止2013年尚处于科研阶段。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点；
近几十年来，为了提高活性物质硫的利用率，限制多硫化锂的溶解以及电池循环性能差的问题，研究者在电解质及复合正极材料改性等方面进行了大量探索研究。然而由于硫作为不导电的物质，导电性非常差，不利于电池的高倍率性能。
本发明提供一直导电和力学稳定性强度较高的锂硫电池正极材料及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂硫电池正极材料，它是由集流体和活性材料组成的。
所述的活性材料是由下述重量份的原料组成的：
硅微粉10-17、2,2-二羟甲基丙酸3-4、导电增强剂6-8、单质硫50-60、粘结剂2-4。
所述的导电增强剂是由下述重量份的原料组成的：
碳纳米管30-40、乙炔炭黑10-15、硬脂酸钙2-3、硅烷偶联剂kh550 0.3-1、丙烯酸钠27-30、过硫酸铵0.6-0.7。
所述的导电增强剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）取过硫酸铵，加入到其重量15-20倍的去离子水中，搅拌均匀；
（2）取碳纳米管，加入到其重量20-30倍的、96-98%的硫酸溶液中，超声2-3小时，过滤，将沉淀水洗，与硬脂酸钙混合，在60-70℃下保温搅拌10-40分钟，得活化碳纳米管；
（3）取硅烷偶联剂kh550，加入到其重量50-64倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入乙炔炭黑、活化碳纳米管，超声10-15分钟，得硅烷醇溶液；
（4）取丙烯酸钠，加入到上述硅烷醇溶液中，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为65-70℃，加入过硫酸铵水溶液，保温搅拌4-5小时，出料，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，即得所述导电增强剂。
所述的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
取氧化钙、硬脂酸钙混合，在60-70℃下保温搅拌1-2小时，加入聚乙烯蜡、丙酮，升高温度为90-95℃，保温搅拌30-40分钟，出料旋蒸，除去丙酮，即得所述粘结剂。
所述的活性材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取硅微粉、2,2-二羟甲基丙酸混合，加入到混合料重量10-17倍的去离子水中，超声3-4分钟，得酸化微粉溶液；
（2）取导电增强剂，加入到上述酸化微粉溶液中，在75-80℃下保温搅拌2-3小时，抽滤，将沉淀水洗，常温干燥，与单质硫、粘结剂混合，压制成型，即得所述锂硫电池正极材料。
本发明的优点：
本发明将活化后的碳纳米管与乙炔炭黑共混，采用氨基硅烷的醇溶液改性分散，并以该分散液为溶剂，以丙烯酸钠为原料，在引发剂作用下聚合，得到氨基改性的导电聚合物溶液，之后将硅微粉采用2,2-二羟甲基丙酸处理，与该导电聚合物溶液共混反应，增强了硅微粉、碳纳米管与乙炔炭黑间的结合强度，本发明在压制过程中引入了含有聚乙烯蜡的粘结剂，从而进一步提高了材料间的结合稳定性，保证了正极材料的导电和力学稳定性强度，进而提高电池的耐用度和可靠性。
具体实施方式
实施例1
一种锂硫电池正极材料，它是由集流体和活性材料组成的。
所述的活性材料是由下述重量份的原料组成的：
硅微粉10、2,2-二羟甲基丙酸3、导电增强剂6、单质硫50、粘结剂2。
所述的导电增强剂是由下述重量份的原料组成的：
碳纳米管40、乙炔炭黑15、硬脂酸钙3、硅烷偶联剂kh550 1、丙烯酸钠30、过硫酸铵0.7。
所述的导电增强剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）取过硫酸铵，加入到其重量20倍的去离子水中，搅拌均匀；
（2）取碳纳米管，加入到其重量30倍的、98%的硫酸溶液中，超声3小时，过滤，将沉淀水洗，与硬脂酸钙混合，在70℃下保温搅拌40分钟，得活化碳纳米管；
（3）取硅烷偶联剂kh550，加入到其重量64倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入乙炔炭黑、活化碳纳米管，超声15分钟，得硅烷醇溶液；
（4）取丙烯酸钠，加入到上述硅烷醇溶液中，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为70℃，加入过硫酸铵水溶液，保温搅拌5小时，出料，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，即得所述导电增强剂。
所述的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
取氧化钙、硬脂酸钙混合，在70℃下保温搅拌2小时，加入聚乙烯蜡、丙酮，升高温度为95℃，保温搅拌40分钟，出料旋蒸，除去丙酮，即得所述粘结剂。
所述的活性材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取硅微粉、2,2-二羟甲基丙酸混合，加入到混合料重量17倍的去离子水中，超声4分钟，得酸化微粉溶液；
（2）取导电增强剂，加入到上述酸化微粉溶液中，在80℃下保温搅拌3小时，抽滤，将沉淀水洗，常温干燥，与单质硫、粘结剂混合，压制成型，即得所述锂硫电池正极材料。
实施例2
一种锂硫电池正极材料，它是由集流体和活性材料组成的。
所述的活性材料是由下述重量份的原料组成的：
硅微粉10、2,2-二羟甲基丙酸3、导电增强剂6、单质硫50、粘结剂2。
所述的导电增强剂是由下述重量份的原料组成的：
碳纳米管30、乙炔炭黑10、硬脂酸钙2、硅烷偶联剂kh550 0.3、丙烯酸钠27、过硫酸铵0.6。
所述的导电增强剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）取过硫酸铵，加入到其重量15倍的去离子水中，搅拌均匀；
（2）取碳纳米管，加入到其重量20倍的、96%的硫酸溶液中，超声2小时，过滤，将沉淀水洗，与硬脂酸钙混合，在60℃下保温搅拌10分钟，得活化碳纳米管；
（3）取硅烷偶联剂kh550，加入到其重量50倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入乙炔炭黑、活化碳纳米管，超声10分钟，得硅烷醇溶液；
（4）取丙烯酸钠，加入到上述硅烷醇溶液中，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为65℃，加入过硫酸铵水溶液，保温搅拌4小时，出料，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，即得所述导电增强剂。
所述的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
取氧化钙、硬脂酸钙混合，在60℃下保温搅拌1小时，加入聚乙烯蜡、丙酮，升高温度为90℃，保温搅拌30分钟，出料旋蒸，除去丙酮，即得所述粘结剂。
所述的活性材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取硅微粉、2,2-二羟甲基丙酸混合，加入到混合料重量10倍的去离子水中，超声3分钟，得酸化微粉溶液；
（2）取导电增强剂，加入到上述酸化微粉溶液中，在75℃下保温搅拌2小时，抽滤，将沉淀水洗，常温干燥，与单质硫、粘结剂混合，压制成型，即得所述锂硫电池正极材料。
性能测试：
实施例1的锂硫电池正极材料：
比容量为1690m Ah/g；
比能量为2410Wh/kg；
实施例2的锂硫电池正极材料：
比容量为1701m Ah/g；
比能量为2425Wh/kg。

Claims (5)

1.一种锂硫电池正极材料，其是由集流体和活性材料组成的，其特征在于，所述的活性材料是由下述重量份的原料组成的：
硅微粉10-17、2,2-二羟甲基丙酸3-4、导电增强剂6-8、单质硫50-60、粘结剂2-4。
2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述的导电增强剂是由下述重量份的原料组成的：
碳纳米管30-40、乙炔炭黑10-15、硬脂酸钙2-3、硅烷偶联剂kh550 0.3-1、丙烯酸钠27-30、过硫酸铵0.6-0.7。
3.根据权利要求2所述的一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述的导电增强剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）取过硫酸铵，加入到其重量15-20倍的去离子水中，搅拌均匀；
（2）取碳纳米管，加入到其重量20-30倍的、96-98%的硫酸溶液中，超声2-3小时，过滤，将沉淀水洗，与硬脂酸钙混合，在60-70℃下保温搅拌10-40分钟，得活化碳纳米管；
（3）取硅烷偶联剂kh550，加入到其重量50-64倍的无水乙醇中，搅拌均匀，加入乙炔炭黑、活化碳纳米管，超声10-15分钟，得硅烷醇溶液；
（4）取丙烯酸钠，加入到上述硅烷醇溶液中，搅拌均匀，送入到反应釜中，通入氮气，调节反应釜温度为65-70℃，加入过硫酸铵水溶液，保温搅拌4-5小时，出料，抽滤，将滤饼水洗，常温干燥，即得所述导电增强剂。
4.根据权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述的粘结剂的制备方法，包括以下步骤：
取氧化钙、硬脂酸钙混合，在60-70℃下保温搅拌1-2小时，加入聚乙烯蜡、丙酮，升高温度为90-95℃，保温搅拌30-40分钟，出料旋蒸，除去丙酮，即得所述粘结剂。
5.根据权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料，其特征在于，所述的活性材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）取硅微粉、2,2-二羟甲基丙酸混合，加入到混合料重量10-17倍的去离子水中，超声3-4分钟，得酸化微粉溶液；
（2）取导电增强剂，加入到上述酸化微粉溶液中，在75-80℃下保温搅拌2-3小时，抽滤，将沉淀水洗，常温干燥，与单质硫、粘结剂混合，压制成型，即得所述锂硫电池正极材料。
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