CN110752371B - 一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料 - Google Patents

一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料 Download PDF

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Abstract

一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，涉及一种锂硫电池正极材料。本发明是要解决现有的锂硫电池充放电过程中正极的活性物质会在α‑S8和Li2S之间转变导致其体积变化的技术问题。本发明的具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料是由硫和氨基硅油(壳聚糖、聚乙烯亚胺)‑对苯二甲醛(戊二醛、均苯三甲醛)组成。本发明使硫表面吸附一层自修复网络，用作锂硫电池正极活性物质时缓解了充放电过程中正极活性物质体积变化，避免了正极活性物质进入电解液中，减轻了多硫化物穿梭效应，有助于正极活性物质负载量和利用率的提升。

Description

一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料
技术领域
本发明涉及一种锂硫电池正极活性材料。
背景技术
随着社会的发展，军用能源和民用能源领域对电池容量性能提出了更高的要求，锂硫电池凭着其超高的理论比容量(1675mAh/g)和理论比能量(2600Wh/kg)重新成为人们的研究重点。此外，天然单质硫是无毒无害的，且在自然界中储量丰富，这就使得锂硫电池有更好的经济性和环境友好性。虽然有以上优点，但锂硫电池活性物质负载量和利用率低、多硫化物穿梭效应、自放电等问题大大的限制了锂硫电池的应用。导致这些问题的原因是在锂硫电池充放电过程中，正极的活性物质会在α-S8(密度为2.07g/cm3)和Li2S(密度为1.66g/cm3)之间转变导致其体积变化，破坏了正极的稳定性。
发明内容
本发明是要解决现有的锂硫电池充放电过程中正极的活性物质会在α-S8和Li2S之间转变导致其体积变化，破坏了正极稳定性的技术问题，而提供一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料。
本发明的一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料是由硫和组分A-组分B组成；
所述的组分A为氨基硅油、壳聚糖或聚乙烯亚胺；
所述的组分B为对苯二甲醛、戊二醛或均苯三甲醛。
本发明的具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料的制备方法是按以下步骤进行的：
一、自修复涂层混合液的制备：将组分B溶解于溶剂中，搅拌1min～120min，加入组分A，搅拌1min～120min，得到自修复涂层混合液；
所述的组分A为氨基硅油、壳聚糖或聚乙烯亚胺；
所述的组分B为对苯二甲醛、戊二醛或均苯三甲醛；
所述的溶剂为四氢呋喃或甲苯；
所述的组分B的质量与溶剂的体积比为(1mg～1000mg):(1mL～500mL)；
所述的组分A的质量与溶剂的的体积比为(1g～20g):(1mL～500mL)；
二、硫粉表面吸附自修复涂层：将微米级单质硫研磨1min～100min，然后将硫粉加入步骤一制备的自修复涂层混合液中，搅拌1h～48h，静置1h～48h，抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为20℃～100℃的条件下干燥1h～48h，得到改性硫粉；
步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的自修复涂层混合液的体积比为(1g～10g):(1mL～500mL)。
本发明的有益效果：
本发明通过对单质硫进行处理，使硫表面吸附一层通过亚胺键交联的自修复的网络，当此种改性硫粉用作锂硫电池正极活性物质时，由于自修复网络的存在，缓解了充放电过程中正极活性物质体积变化引起的不良反应，避免了碎裂的正极活性物质进入电解液中，减轻了多硫化物穿梭效应，稳定了正极，有助于正极活性物质负载量和利用率的提升。
本发明制备方法简单，选用氨基硅油、壳聚糖、聚乙烯亚胺、对苯二甲醛、戊二醛、均苯三甲醛作为反应原料，反应迅速、操作简单条件温和、反应无副反应产物生成。
本发明制备的改性硫粉作为锂硫电池的活性物质时，可以实现高负载量、高比容量、长使用寿命和高安全性，可以广泛应用于各类储能器件中，组成为锂硫电池后在高达4.5mg/cm2的活性物质负载量下，该电池仍能循环110圈，容量保持率为80.6％，库伦效率稳定，说明采用此种活性物质的锂硫电池有优异的循环性能。
附图说明
图1为试验三中锂硫电池的循环性能曲线；
图2为试验三中锂硫电池的循环伏安曲线；
图3为试验四中锂硫电池的循环性能曲线；
图4为试验四中锂硫电池的循环伏安曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，具体是由硫和组分A-组分B组成；
所述的组分A为氨基硅油、壳聚糖或聚乙烯亚胺；
所述的组分B为对苯二甲醛、戊二醛或均苯三甲醛。
具体实施方式二：本实施方式为一具体实施方式一的具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、自修复涂层混合液的制备：将组分B溶解于溶剂中，搅拌1min～120min，加入组分A，搅拌1min～120min，得到自修复涂层混合液；
所述的组分A为氨基硅油、壳聚糖或聚乙烯亚胺；
所述的组分B为对苯二甲醛、戊二醛或均苯三甲醛；
所述的溶剂为四氢呋喃或甲苯；
所述的组分B的质量与溶剂的体积比为(1mg～1000mg):(1mL～500mL)；
所述的组分A的质量与溶剂的的体积比为(1g～20g):(1mL～500mL)；
二、硫粉表面吸附自修复涂层：将微米级单质硫研磨1min～100min，然后将硫粉加入步骤一制备的自修复涂层混合液中，搅拌1h～48h，静置1h～48h，抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为20℃～100℃的条件下干燥1h～48h，得到改性硫粉；
步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的自修复涂层混合液的体积比为(1g～10g):(1mL～500mL)。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的组分B的质量与溶剂的体积比为(1mg～1000mg):10mL。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中所述的组分A的质量与溶剂的的体积比为10g:(1mL～500mL)。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的自修复涂层混合液的体积比为10g:(20mL～500mL)。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤二中将硫粉加入步骤一制备的自修复涂层混合液中，搅拌4h，静置1h，抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为50℃的条件下干燥7h，得到改性硫粉。其他与具体实施方式二相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、氨基硅油-对苯二甲醛(PDMS-DFB)混合溶液的制备：配制对苯二甲醛的四氢呋喃溶液，搅拌100min，加入氨基硅油，搅拌300min，得到混合液；
所述的对苯二甲醛质量与四氢呋喃体积比为300mg:100mL；
所述的氨基硅油的质量与四氢呋喃的体积比为5g:200mL；
二、硫粉表面吸附PDMS-DFB：将微米级单质硫研磨20min，确保无大块硫粉存在后，将硫粉加入步骤一制备的混合液中，搅拌4h，静置1h，用抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为50℃的条件下干燥7h，得到改性硫粉；
步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的混合液的体积比为5g:200mL。
试验二：使用试验一中得到的改性硫粉组装锂硫电池并进行测试：
一、锂硫电池正极片制备：
将试验一中所述制备的改性硫粉、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比为6:3:1混合，然后加入N-甲基吡洛烷酮，混合搅拌至均匀糊状浆料，然后把上述浆料均匀地涂覆在泡沫镍上，放入真空烘箱60℃干燥12h，然后把上述干燥好的泡沫镍使用裁片机裁成圆片状电极片，放入手套箱待用；所述的试验一中所述制备的改性硫粉的质量与N-甲基吡洛烷酮的体积比为0.1g:1mL；
二、锂硫电池组装：
将步骤一中制备的正极片在手套箱里使用锂片做对电极组装锂硫半电池，隔膜型号为Celgard 2400，每个电池添加100μl的电解液1.0mol/L LiTFSI/DOL+DME(1:1)，使用电池封装机封装，静置8h后测试。
试验三：电化学性能测试：使用购自深圳市新威尔电子有限公司的恒流充放电测试仪器对试验二组装的锂硫电池进行恒流充放电测试，测量该锂硫电池的循环性能曲线，设置电压区间为1.7V～2.8V；使用购自上海辰华仪器有限公司的CHI 660E电化学工作站测量锂硫电池的循环伏安曲线，设置电压区间为1.7V～2.8V。
图1为试验三中锂硫电池的循环性能曲线，由图可知，，该电池仍能循环110圈，容量保持率为80.6％，库伦效率稳定，说明采用此种活性物质的锂硫电池有优异的循环性能。
图2为试验三中锂硫电池的循环伏安曲线，图中为循环第一圈～第四圈，由图可知，四条曲线几乎重合，峰明显且峰位置与理论一致，说明电池充放电过程中极化小，这也验证了改性硫粉表面PDMS-DFB网络的存在有助于重新团聚充放电过程中碎裂的活性物质，因此本发明的改性硫粉用作锂硫电池正极活性物质时有良好的电化学性能。
试验四：本试验为对比试验：为了充分说明使用试验二制备的改性硫粉的锂硫电池的电化学性能，本试验使用未经改性处理的硫粉做锂硫电池活性物质并测试电化学性能，具体为：将微米级单质硫研磨20min，确保无大块硫粉存在；
一、锂硫电池正极片制备：
将研磨后的硫粉、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比为6:3:1混合。其余步骤与试验二相同。
图3为试验四中锂硫电池的循环性能曲线，由图可知，使用未经改性处理的硫粉做正极活性物质的锂硫电池循环性能非常差，容量忽高忽低，库伦效率不稳定。这也就说明了本发明中的改性硫粉的优异性能。
图4为试验四中锂硫电池的循环伏安曲线，图中为循环第一圈～第三圈，由图可知，三条曲线几乎重合，与图2的循环伏安曲线相比，峰的位置滞后，且峰不明显，说明试验四中锂硫电池循环过程中极化较大，活性物质与导电剂接触较差。这也充分说明了使用本发明中改性硫粉做活性物质的锂硫电池电化学性能优异，本发明制备的改性硫粉作为锂硫电池的活性物质时，可以实现高负载量、高比容量、长使用寿命和高安全性，可以广泛应用于各类储能器件中。

Claims (5)

1.一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，其特征在于具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料是由硫和组分A-组分B组成；
所述的组分A为氨基硅油、壳聚糖或聚乙烯亚胺；
所述的组分B为对苯二甲醛、戊二醛或均苯三甲醛；
所述的具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料的制备方法是按以下步骤进行的：
一、自修复涂层混合液的制备：将组分B溶解于溶剂中，搅拌1min～120min，加入组分A，搅拌1min～120min，得到自修复涂层混合液；
所述的溶剂为四氢呋喃或甲苯；
所述的组分B的质量与溶剂的体积比为(1mg～1000mg):(1mL～500mL)；
所述的组分A的质量与溶剂的体积比为(1g～20g):(1mL～500mL)；
二、硫粉表面吸附自修复涂层：将微米级单质硫研磨1min～100min，然后将硫粉加入步骤一制备的自修复涂层混合液中，搅拌1h～8h，静置1h～48h，抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为20℃～100℃的条件下干燥1h～48h，得到改性硫粉；
步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的自修复涂层混合液的体积比为(1g～10g):(1mL～500mL)。
2.根据权利要求1所述的一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，其特征在于步骤一中所述的组分B的质量与溶剂的体积比为(1mg～1000mg):10mL。
3.根据权利要求1所述的一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，其特征在于步骤一中所述的组分A的质量与溶剂的体积比为10g:(1mL～500mL)。
4.根据权利要求1所述的一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，其特征在于步骤二中所述的硫粉的质量与步骤一制备的自修复涂层混合液的体积比为10g:(20mL～500mL)。
5.根据权利要求1所述的一种具有自修复功能的锂硫电池正极活性材料，其特征在于步骤二中将硫粉加入步骤一制备的自修复涂层混合液中，搅拌4h，静置1h，抽滤收集滤饼，将滤饼在温度为50℃的条件下干燥7h，得到改性硫粉。
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