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Abstract

本发明提供了一种电池正极材料，包括铝箔、电极层、粘结剂和导电剂，所述电极层涂覆于所述铝箔表面，所述电极层包括基体层，包覆所述基体层的聚合物层，以及位于基体层中的芯层，所述基体层为多孔五氧化二钒。本发明还提供了上述电池正极材料的制备方法。本发明电池正极材料的电极层中，基体层为多孔五氧化二钒层，可以从物理限制和化学吸附两方面抑制多硫离子穿梭，而五氧化二钒储量丰富、价格低廉，易制备成多孔材料，比容量较高，使用其作为基体可以降低正极的成本，利于推广应用，制备得到的电池正极材料，在0.1C倍率下首次放电比容量为733.2mAh/g，经过100次循环后，循环保持率高达77.5％。

Description

一种电池正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种电池正极材料及其制备方法。
背景技术
随着新能源汽车和移动电子设备的飞速发展，迫切需要能量密度更高的电池。在新能源体系中，锂硫电池以其高理论比能量(2600W·h/kg)、单质硫廉价和环境友好等特性，成为下一代最具发展潜力的二次电池体系之一。
典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极。然而，锂硫电池主要存在三个问题：(1)单质硫和放电产物硫化锂作为不导电或低导电的物质，导电性非常差；(2)硫在充放电过程中，体积会扩大和缩小，有可能导致电池损坏；(3)中间产物多硫化锂的穿梭效应，即在充放电过程中，正极产生的多硫化物(Li2Sx)中间体溶解到电解液中，并穿过隔膜，向负极扩散，与负极的金属锂直接发生反应，最终造成了电池中有效物质的不可逆损失，电池寿命的衰减，以及低的库伦效率。上述三个问题，尤其是中间产物多硫化锂的穿梭效应，阻碍了锂硫电池的商业化。为解决该问题，现有技术主要从物理限制和化学吸附两方面入手。物理限制方面，主要是在正极用高比表面积的具有孔结构的载体(如石墨烯、碳管等)对硫和多硫化物进行物理吸附和禁锢；化学吸附方面，主要是进一步的是对载体进行化学修饰，修饰活性位点，以实现化学吸附。
然而，现有技术尚未解决中间产物多硫化锂的穿梭效应问题。
发明内容
为解决现有技术中，锂硫电池的中间产物多硫化锂的穿梭效应问题，本发明的目的之一是提供一种电池正极材料。
本发明的目的之二是提供上述电池正极材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电池正极材料，包括铝箔、电极层、粘结剂和导电剂，所述电极层涂覆于所述铝箔表面，所述电极层包括基体层，包覆所述基体层的聚合物层，以及位于基体层中的芯层，所述基体层为多孔五氧化二钒。
优选地，所述导电剂为碳纤维。
优选地，所述粘结剂为PVDF/NMP。
优选地，所述聚合物为聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)中的一种。
优选地，所述芯层为硫单质层。
上述电池正极材料的制备方法，步骤包括：
(1)将所述基体层用酸浸提后热处理后，再将基体层分散在溶剂中，向溶剂中加入聚合物单体和氧化剂聚合后得半成品；
(2)向步骤(1)所得半成品中负载所述芯层，得电极层材料；
(3)将步骤(2)所得电极层材料和导电剂按质量比7:2研磨均匀后，加入粘结剂，室温下搅拌24h后制得浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料涂覆于所述铝箔上，烘干后切片即得电池正极材料。
优选地，步骤(1)所述的酸为盐酸、硫酸和草酸中的一种。
进一步优选地，所述盐酸的质量分数为30～40％。
优选地，步骤(1)所述浸提的温度为60～70℃，所述浸提的时间为100～150min。
优选地，步骤(1)所述热处理的温度为200～500℃，所述热处理的时间为2～6h。
优选地，步骤(1)所述的溶剂为水，所述的氧化剂为FeCl3、过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种。
进一步优选地，步骤(1)中基体层和聚合物单体的质量比为1：(0.5～3)，聚合物单体和氧化剂的质量比为1：(1～5)。
优选地，步骤(1)所述聚合的温度为20～30℃，时间为12～24h。
优选地，步骤(2)所述芯层的负载方法为热融法，具体为：将将步骤(1)得到的半成品与硫混合均匀，置于管式炉中，Ar气氛下，150～200℃保温10～16h。
五氧化二钒材料具有层状结构，层与层之间的空间可以容纳放电过程中嵌入的锂离子，其比容量高达300mAh/g。钒在地壳中含量丰富，价格低廉，因此，五氧化二钒是极具应用前景的锂离子电池电极材料，已经成为锂离子电池研究领域的前沿和热点，然而，五氧化二钒的层状结构稳定性欠佳，在充放电过程中，锂离子嵌入/脱嵌过程的多次相变使材料的容量衰减很快，循环性能差，不适合大电流充放电，限制了其应用。本发明采用多孔五氧化二钒，增加了材料的比容量，改善了材料的倍率特性，提高了材料的循环稳定性，从物理限制和化学吸附两方面抑制了多硫离子穿梭。
本发明的有益效果
1、本发明电池正极材料的电极层中，基体层为多孔五氧化二钒层，可以从物理限制和化学吸附两方面抑制多硫离子穿梭，而五氧化二钒储量丰富、价格低廉，易制备成多孔材料，比容量较高，使用其作为基体可以降低正极的成本，利于推广应用；
2、本发明所提供的电池正极材料，电极层的基体层外包覆导电聚合物层，在基体层中填充芯层，同时利用了基体层的一维管道的物理限制作用和化学成分的吸附作用，解决了现有技术中，锂硫电池硫正极充放电过程中生成的中间产物多硫离子的穿梭效应，会使电池比容量、循环保持率较低，整体电化学性能低的问题；
3、采用本发明的方法制备得到的电池正极材料，在0.1C倍率下首次放电比容量为733.2mAh/g，经过100次循环后，循环保持率高达77.5％。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
一种电池正极材料，包括铝箔、电极层、粘结剂和导电剂，所述电极层涂覆于所述铝箔表面，所述电极层包括基体层，包覆所述基体层的聚合物层，以及位于基体层中的芯层。
其中，所述导电剂为碳纤维，所述粘结剂为PVDF/NMP，所述基体层为多孔五氧化二钒，所述聚合物为聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)中的一种，所述芯层为硫单质层。
实施例2
电池正极材料的制备方法，步骤包括：
(1)将所述基体层用酸浸提后热处理后，再将基体层分散在溶剂中，向溶剂中加入聚合物单体和氧化剂聚合后得半成品；
(2)向步骤(1)所得半成品中负载所述芯层，得电极层材料；
(3)将步骤(2)所得电极层材料和导电剂按质量比7:2研磨均匀后，加入粘结剂，室温下搅拌24h后制得浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料涂覆于所述铝箔上，烘干后切片即得电池正极材料。
其中，步骤(1)所述的基体层为多孔五氧化二钒，酸为盐酸，所述的溶剂为水，聚合物为聚吡咯(PPy)，氧化剂为FeCl3，所述盐酸的质量分数为30％，浸提的温度为60℃，所述浸提的时间为100min，所述热处理的温度为200℃，所述热处理的时间为2h，基体层和聚合物单体的质量比为1：0.5，聚合物单体和氧化剂的质量比为1：1，聚合的温度为20℃，时间为12h。
步骤(2)所述芯层的负载方法为热融法，具体为：将步骤(1)得到的半成品与硫混合均匀，置于管式炉中，Ar气氛下，150℃保温10h。
步骤(3)中粘结剂为PVDF/NMP
实施例3
电池正极材料的制备方法，步骤包括：
(1)将所述基体层用酸浸提后热处理后，再将基体层分散在溶剂中，向溶剂中加入聚合物单体和氧化剂聚合后得半成品；
(2)向步骤(1)所得半成品中负载所述芯层，得电极层材料；
(3)将步骤(2)所得电极层材料和导电剂按质量比7:2研磨均匀后，加入粘结剂，室温下搅拌24h后制得浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料涂覆于所述铝箔上，烘干后切片即得电池正极材料。
其中，步骤(1)所述的基体层为多孔五氧化二钒，酸为草酸，所述的溶剂为水，聚合物为聚苯胺(PANI)，氧化剂为过硫酸铵，所述草酸的质量分数为40％。，所述浸提的温度为70℃，所述浸提的时间为150min，所述热处理的温度为500℃，所述热处理的时间为6h，基体层和聚合物单体的质量比为1：3，聚合物单体和氧化剂的质量比为1：5，聚合的温度为30℃，时间为24h。
步骤(2)所述芯层的负载方法为热融法，具体为：将步骤(1)得到的半成品与硫混合均匀，置于管式炉中，Ar气氛下，200℃保温16h。
步骤(3)中粘结剂为PVDF/NMP
实施例4
电池正极材料的制备方法，步骤包括：
(1)将所述基体层用酸浸提后热处理后，再将基体层分散在溶剂中，向溶剂中加入聚合物单体和氧化剂聚合后得半成品；
(2)向步骤(1)所得半成品中负载所述芯层，得电极层材料；
(3)将步骤(2)所得电极层材料和导电剂按质量比7:2研磨均匀后，加入粘结剂，室温下搅拌24h后制得浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料涂覆于所述铝箔上，烘干后切片即得电池正极材料。
其中，步骤(1)所述的基体层为多孔五氧化二钒，酸为硫酸，所述的溶剂为水，聚合物为聚苯胺(PANI)，氧化剂为过硫酸钾，所述硫酸的质量分数为30～40％。，所述浸提的温度为65℃，所述浸提的时间为125min，所述热处理的温度为350℃，所述热处理的时间为4h，基体层和聚合物单体的质量比为1：1.5，聚合物单体和氧化剂的质量比为1：3，聚合的温度为20～30℃，时间为12～24h。
步骤(2)所述芯层的负载方法为热融法，具体为：将步骤(1)得到的半成品与硫混合均匀，置于管式炉中，Ar气氛下，180℃保温13h。
步骤(3)中粘结剂为PVDF/NMP
检测例
用实施例2～4制备的电池正极材料，与锂金属配对，采用Celgard隔膜，以1mol L- 1LiTFSI/(DOL+DME)(V/V＝1:1)/1％LiNO3为电解液，组装成2016扣式电池进行倍率、循环性能测试。结果如表1所示。
表1电池测试数据
从表1可以看出，在0.1C倍率下，首次放电比容量为733.2mAh/g，经过100次循环后，循环保持率高达77.5％。
本发明电池正极材料的电极层中，基体层为多孔五氧化二钒层，可以从物理限制和化学吸附两方面抑制多硫离子穿梭，而五氧化二钒储量丰富、价格低廉，易制备成多孔材料，比容量较高，使用其作为基体可以降低正极的成本，利于推广应用。电极层的基体层外包覆导电聚合物层，在基体层中填充芯层，同时利用了基体层的一维管道的物理限制作用和化学成分的吸附作用，解决了现有技术中，锂硫电池硫正极充放电过程中生成的中间产物多硫离子的穿梭效应，会使电池比容量、循环保持率较低，整体电化学性能低的问题。
以上具体实施方式描述了本发明的主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨和范围的前提下，本发明所做的变化和改进都在本发明保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种电池正极材料，其特征在于，包括铝箔、电极层、粘结剂和导电剂，所述电极层涂覆于所述铝箔表面，所述电极层包括基体层，包覆所述基体层的聚合物层，以及位于基体层中的芯层，所述基体层为多孔五氧化二钒。
2.根据权利要求1所述的电池正极材料，其特征在于，所述导电剂为碳纤维。
3.根据权利要求1所述的电池正极材料，其特征在于，所述粘结剂为PVDF/NMP。
4.根据权利要求1所述的电池正极材料，其特征在于，所述聚合物为聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)中的一种。
5.根据权利要求1所述的电池正极材料，其特征在于，所述芯层为硫单质层。
6.如权利要求1～5任一项所述电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)将所述基体层用酸浸提后热处理，再将基体层分散在溶剂中，向溶剂中加入聚合物单体和氧化剂聚合后得半成品；
(2)向步骤(1)所得半成品中负载所述芯层，得电极层材料；
(3)将步骤(2)所得电极层材料和导电剂按质量比7:2研磨均匀后，加入粘结剂，室温下搅拌24h后制得浆料；
(4)将步骤(3)所得浆料涂覆于所述铝箔上，烘干后切片即得电池正极材料。
7.根据权利要求6所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述浸提的温度为60～70℃，所述浸提的时间为100～150min。
8.根据权利要求6所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述热处理的温度为200～500℃，所述热处理的时间为2～6h。
9.根据权利要求6所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的氧化剂为FeCl3、过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种。
10.根据权利要求6所述的电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述聚合的温度为20～30℃，时间为12～24h。
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