CN111029525B - 一种锂硫电池正极极片的制备方法及其产品 - Google Patents

一种锂硫电池正极极片的制备方法及其产品 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂硫电池正极极片的制备方法及其产品，属于电池领域，正极极片的制备是通过三步涂布法而完成；第一，将含有导电剂的浆料均匀涂覆在铝箔上，烘干；第二，将含硫的正极浆料均匀涂覆在步骤一所得极片上，烘干；第三，将含导电聚合物的浆料涂覆在第二步所得极片上，烘干即得锂硫电池正极极片；本发明所述的三步涂布法，其中基底导电层有利于提高正极极片整体的导电性，可以保证中间层活性物质容量的发挥，同时表面层的导电聚合物材料能够有效吸附多硫化物，抑制穿梭效应，进而提高锂硫电池的循环性能。

Description

一种锂硫电池正极极片的制备方法及其产品
技术领域
本发明属于电池领域，具体涉及一种锂硫电池正极极片的制备方法及其产品。
背景技术
锂硫电池具有高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/Kg)，远高于已经商业化的锂离子电池，所以受到了科研人员的广泛关注。此外，单质硫对环境无污染，且储量丰富。因此，锂硫电池是极具发展和应用前景的二次电池体系。
但是，目前为止，锂硫电池却仍然没有能够实现大规模商业化生产及应用。这主要是由于其差的循环性能导致。究其根本原因，是由活性物质差的导电性以及中间产物的穿梭效应而引起。
为此，科研人员通过设计不同的载体材料载硫，包括空心碳，碳纳米管，石墨烯等碳材料以及金属氧化物。尽管载体材料的使用可以提高正极材料的导电性和抑制多硫化物的穿梭效应，但是同时也限制了电池整体的能量密度。
因此，我们必须寻找一种新的制备锂硫电池正极极片的方法，提高导电性和吸附多硫化物的同时，提高锂硫电池的循环性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过三步涂布制备锂硫电池正极极片的方法，既可以解决导电性差的问题，也可以起到吸附多硫化物的作用。
本发明的技术方案是，一种锂硫电池正极极片的制备方法，包括以下步骤：
(1)将导电剂、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料I，将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，于100-120℃条件下干燥20-24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料II，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60-65℃条件下干燥20-24h，制得极片II；
(3)将导电聚合物、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60-65℃条件下干燥20-24h，制得锂硫电池正极极片。
优选的，步骤(1)中，所述导电剂包括乙炔黑、碳纳米管和气相生长碳纤维中的至少一种。导电炭黑、乙炔黑和气相生长碳纤维是常见的导电剂，导电剂中包含的种类和质量比可以依据现有技术做适应性的调整。
优选的，步骤(1)中，导电剂、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为6-7:2-1:2。
优选的，步骤(1)中，所述铝箔的厚度为15-30μm。
优选的，步骤(2)中，所述硫碳复合材料的硫含量为70～75％。硫碳复合材料是由碳和硫通过熔融法、溶剂法、溶剂热浸渍法和沉淀法等制备方法制得的。硫碳复合材料是常见的锂硫电池正极片的原料。
优选的，步骤(2)中，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％。N-甲基吡咯烷酮为液态，将硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯与N-甲基吡咯烷酮混合均匀后，以使制得的浆料II中的固含量为25％即可，固含量即浆料II中的固体含量。
优选的，步骤(3)中，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的至少一种。
优选的，步骤(3)中，导电聚合物、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为6-7:2-1:2。
通过上述制备方法制得的锂硫电池正极极片，其导电性能和吸附多硫化物性能更佳。
本发明采用三步涂布法进行涂布，分别为基底导电层，中间活性物质层，表面聚合物层。第一步先涂导电剂，这样基底导电层可以改善电极片整体的导电性，进而提高锂硫电池的容量发挥。然后涂硫碳复合材料，该层为活性材料层，第三步涂导电聚合物，这样最外层的导电聚合物可以有效的吸附多硫化物，进而抑制多硫化物的穿梭效应，最终提高锂硫电池的循环性能和容量发挥。
本发明的有益效果是：
1.本发明制备的锂硫电池正极极片可以达到同时提高导电性和吸附多硫化物的作用。
2.本发明操作简单，可以提高极片硫载量，为锂硫电池的实际生产提供方案。
附图说明
图1为实施例1提供的锂硫电池正极极片的结构示意图，
图2为实施例1所得锂硫电池正极极片的切面扫描电镜图，
图3为实施例1所得正极极片的充放电曲线。
具体实施方式
下面进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片，其切面扫描电镜如图2所示。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，其充放电曲线如图3所示，首次放电比容量为1316mAh/g。
对比例1
将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为8:1:1混合均匀，制备浆料，然后均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于60℃条件下干燥24h，制得普通极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1028mAh/g。
实施例2
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为6.5:1.5:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1268mAh/g。
实施例3
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为6.5:1.5：2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1282mAh/g。
实施例4
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为6.5:1.5:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为6.5:1.5:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1196mAh/g。
实施例5
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚噻吩、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1305mAh/g。
实施例6
(1)将碳纳米管、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚苯胺、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2，混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1308mAh/g。
实施例7
(1)将乙炔黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1312mAh/g。
实施例8
(1)将气相生长碳纤维、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料I，N-甲基吡咯烷酮作为溶剂；将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，所述铝箔的厚度为30μm，于120℃条件下干燥24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料(硫碳复合材料的硫含量为75％)、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制备浆料II，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60℃条件下干燥24h，制得极片II；
(3)将聚吡咯、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮按质量比为7:1:2混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60℃条件下干燥24h，制得锂硫电池正极极片。
电化学性能测试：将所得极片冲成直径为15mm的圆片，金属锂做负极，在充满氩气的手套箱中组装扣式电池，然后在蓝电测试仪上以0.1C电流进行充放电，首次放电比容量为1306mAh/g。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将导电剂、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料I，将所述浆料I均匀涂覆在铝箔上，于100-120℃条件下干燥20-24h，制得极片I；
(2)将硫碳复合材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料II，然后将所述浆料II均匀涂覆在极片I上，于60-65℃条件下干燥20-24h，制得极片II；
(3)将导电聚合物、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合均匀，制得浆料III，然后将所述浆料III均匀涂敷在极片II上，于60-65℃条件下干燥20-24h，制得锂硫电池正极极片。
2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述导电剂包括乙炔黑、碳纳米管和气相生长碳纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，导电剂、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为6-7:2-1:2。
4.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述铝箔的厚度为15-30μm。
5.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硫碳复合材料的硫含量为70～75％。
6.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，硫碳复合材料、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为8:1:1，浆料II中的固含量为25％。
7.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的锂硫电池正极极片的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，导电聚合物、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮的质量比为6-7:2-1:2。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的锂硫电池正极极片。
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