CN115986112B - 一种硫化锂的制备方法及应用 - Google Patents

一种硫化锂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硫化锂的制备方法及应用，属于锂电池技术领域，包括以下步骤：制备前驱体；在前驱体上形成包覆层；在包覆层上进行微间隙填充；其中，所述制备前驱体为加热制备；所述微间隙填充为气态碳源在微流动状态下填充。本发明采用二次加热方案，且固态原料只有单质硫与金属锂，未引入其他的杂质，从而有效地解决硫化锂使用在锂硫系固态电池中时的纯度不高问题，通过在硫化锂表面形成了致密的包覆层，一方面减少了硫化锂吸湿被氧化的可能性，另一方面还能使硫化锂复合材料的整体性能得到改善，用作硫化锂电池后，进一步提升了充电及放电速度。

Description

一种硫化锂的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种硫化锂的制备方法及应用。
背景技术
为了克服锂化过程中的体积膨胀，通常采用硫化锂取代硫作为正极材料。硫化锂正极可以与石墨、硅等负极匹配，避免使用锂金属负极带来的一系列安全问题，因此锂硫电池成为具有广泛前景的下一代可充电电池，且硫在自然界中储量丰富、环境友好、成本低廉，与锂金属匹配后具有很高的理论比容量(1675mAhg-1)和能量密度(2600Whkg-1)。
目前硫化锂的制取方式有多种，大致可分为球磨法、溶剂法、高温高压法和直接碳复合法，但上述方法不可避免的存在一些缺陷，例如球磨法的产率低、反应时间长、需要大量的加热能源；溶剂法也存在反应时间长、反应温度高、起始物料消耗快、产品污染严重的缺陷；高温高压法的反应温度高，投入能源大，需要复杂设备及特殊条件；直接碳复合法也存在反应时间长、投入能源大、产率低的问题。
此外，上述各方法在制备硫化锂的收率（投入单位数量原料获得的实际生产的产品产量与理论计算的产品产量的比值）均较低，不满足生产需求，同时采用上述方法制备硫化锂时，会引入硫与锂以外的其他有机物杂质，导致硫化锂在锂硫系固态电池中使用时也带入了硫与锂以外的杂质，进而导致硫化锂使用在锂硫系固态电池中时存在纯度不高等问题。另一方面，硫化锂在空气中不稳定，易吸湿，易被氧化，也会对硫化锂在锂硫系固态电池中使用时的纯度造成影响，进而影响锂硫系固态电池的整体性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明第一方面提供了一种硫化锂的制备方法，包括以下步骤：
制备前驱体；
在前驱体上形成包覆层；
在包覆层上进行微间隙填充；
其中，所述制备前驱体包括：将锂源和第一硫源混合，获得第一混合物；
将第一混合物在预设压力下从第一温度升温至第二温度；
所述微间隙填充为气态碳源在微流动状态下填充；
所述微间隙填充包括：将形成包覆层的前驱体在惰性气氛下升温至第三温度，向料柱中通入气态碳源，继续升温至第四温度以下。
可选地，所述第一硫源为单质硫；所述锂源为金属锂；
所述锂源与第一硫源的质量比为1.5:1.2-1.5。
可选地，所述制备前驱体步骤还包括：添加第二硫源。
可选地，所述第二硫源为硫化氢。
可选地，所述在前驱体上形成包覆层包括：向前驱体中补充第一硫源，加入支撑剂与固态碳源获得第二混合物，将第二混合物进行球磨处理，在前驱体的表面形成包覆层。
可选地，所述第一温度为10-50℃；
所述第二温度为400-500℃；
所述预设压力为负压；
所述升温的时间为2-3h。
可选地，所述第三温度为350-400℃，所述第四温度为800℃。
可选地，所述形成包覆层过程中，第一硫源、固态碳源以及前驱体的质量比为0.05-0.1∶0.02-0.04∶1。
可选地，所述气态碳源为CO、CO2或CH4中的一种或几种；
所述固态碳源为多孔炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、炭黑、石墨和乙炔黑的一种或几种。
本发明第二方面提供了一种硫化锂的应用，将硫化锂用于锂-硫电池正极材料或全固态电池中合成硫化物固态电解质的原材料，所述硫化锂由上述方案中任一项所述的制备方法制备得到。
通过采用上述技术方案，本发明主要具有以下技术效果：
1、制备硫化锂的固态原料只有单质硫与金属锂，而未引入其他的杂质，从而杜绝有机物的使用，降低在制备硫化锂过程中引入了单质硫与金属锂以外的杂质的可能性，进而解决了硫化锂使用在锂硫系固态电池中时带入杂质导致硫化锂纯度不高的问题。
2、通过采用初次在不锈钢炉中加热，二次在管式炉中加热的二次加热方案，优化了生产工艺，使单质硫与金属锂充分反应生成硫化锂，提高了金属锂的收率，以及通过提高单质硫的使用率，来提升硫化锂的纯度，再次有效地解决硫化锂使用在锂硫系固态电池中的纯度问题。
3、通过在硫化锂上形成包覆层后，以及在包覆层上进行微间隙填充以后，在硫化锂表面形成了致密的包覆层，一方面减少了硫化锂吸湿被氧化的可能性，另一方面还能使硫化锂复合材料的整体性能得到显著改善，用作硫化锂电池后，进一步提升了充电及放电速度。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的硫化锂复合材料的SEM图；
图2为本发明对比例1制备的硫化锂复合材料的SEM图；
图3为本发明实施例1及对比例1制备的硫化锂复合材料的电化学分析图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明中的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明制备方法主要步骤如下：
（a）制备前驱体
此步骤中，可以在不锈钢炉中，通过加热的方式制备前驱体；
在本发明优选的一些实施方式中，上述制备过程包括：将锂源和第一硫源混合后放入钛锅中，获得第一混合物，然后再将钛锅放入不锈钢炉中，通过电炉加热的方式进行初次加热，制备前驱体。
在本发明优选的一些实施方式中，所述电炉加热的过程包括：先保持不锈钢炉中处于负压状态，然后将不锈钢炉从第一温度升温至第二温度，制备前驱体。
在本发明更加优选地一些实施方式中，所述第一硫源为：单质硫；所述锂源为金属锂。
在本发明可行的一些实施方式中，所述第一硫源还可以为：硫代乙酰胺、半胱胺、半胱氨酸、半胱胺盐酸盐、胱氨酸、巯基琥珀酸、巯基乙胺和二硫氰基甲烷中一种或几种。在此需要说明的是，采用单质硫作为第一硫源，能够有效提高硫化锂的纯度，但成本较高，操作人员可基于实际进行选择。
在本发明更加优选的一些实施方式中，所述第一温度为10-50℃，例如可以为10℃、35℃、40℃、42℃或者45.5℃。
所述第二温度为400-500℃，例如可以为400℃、450℃或者475℃等；
所述升温的时间为2-3h，例如可以为2.5h、2.8h或者2.95h等。
在本发明更加优选的一些实施方式中，所述锂源与第一硫源的质量比为1.5:1.2-1.5，例如可以为但不限于1.5:1.3、1.5:1.35，或者1.5:1.47等。
在本发明更加优选的一些实施方式中，所述制备前驱体的过程还包括：向所述不锈钢炉中添加第二硫源。
在本发明特别优选的一些实施方式中，所述第二硫源为硫化氢，且通入硫化氢时，所述不锈钢炉内的压强为0.5-50bar。
在制备前驱体的过程中，初次加热反应中，会有较大部分硫化锂生成，但通过将金属锂与单质硫的质量比设置为1.5:1.2-1.5，而硫的相对原子质量（32）远大于锂（6.9），使单质硫的含量偏少，虽然一定程度上阻碍了更大程度的充分反应，但也极大的降低了例如多硫化锂等杂质的出现。
进一步的，通过向不锈钢炉中添加硫化氢，一方面能够起到补充硫源的作用，另一方面还能通过控制添加硫化氢的流量，起到微调反应充分度的作用。
（b）在前驱体上形成包覆层
此步骤中，是以步骤（a）中所形成的前驱体作为基底，然后通过球磨的方式，在该基底上形成包覆层，其过程包括：向前驱体中补充第一硫源，然后加入支撑剂与固态碳源，获得第二混合物，将第二混合物进行球磨处理，最后在前驱体的表面形成包覆层。
在本发明优选地一些实施方式中，所述固态碳源为：多孔炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、炭黑、石墨和乙炔黑的一种或几种；
在本发明更加优选地一些实施方式中，所述形成包覆层过程中，第一硫源、固态碳源以及前驱体的质量比为0.05-0.1∶0.02-0.04∶1，例如可以为0.06∶0.03∶1、0.07:0.035:1，或者0.065:0.0362:1等。
在本发明的一些实施方式中，所述支撑剂为：硅胶支撑剂、金属晶格支撑剂、氧化钛支撑剂、氧化钼支撑剂、氧化锆支撑剂、碳纤维支撑剂、碳膜支撑剂和碳粉支撑剂的一种或几种。
在前驱体上形成包覆层的过程中，通过增加第一硫源，以及加入支撑剂与固态碳源，使硫化锂、单质锂、残余金属锂、支撑剂以及固态碳源形成混合物并在球磨作用下相互充分混合，在硫化锂上形成包覆层。
（c）在包覆层上进行微间隙填充
在本发明优选地一些实施方式中，上述微间隙填充过程是通过加热的方式，使气态碳源在微流动状态下进行微间隙填充，其过程包括：将形成包覆层的前驱体加入管式炉的料柱中，填充惰性气体后升温至第三温度，随后向料柱中通入气态碳源并继续升温至第四温度以下，二次加热制得硫化锂成品。
在本发明更加优选地一些实施方式中，所述气态碳源为CO、CO2或CH4中的一种或几种；
所述惰性气体为氩气。
在本发明更加优选地一些实施方式中，所述第三温度为350-400℃，所述第四温度为800℃。
在包覆层上进行微间隙填充的过程中，气态碳源在微流动状态下进行微间隙填充，从而在硫化锂上形成致密的包覆层，一方面降低了碳包覆形成的时间，另一方面得到的硫化锂粒径小，分布均匀，与碳基底充分结合，从而具有优异的电化学性能。
采用上述方案制备硫化锂的固态原料只有单质硫与金属锂，而未引入其他的杂质，从而杜绝有机物的使用，降低在制备硫化锂过程中引入了单质硫与金属锂以外的杂质的可能性，进而解决了硫化锂使用在锂硫系固态电池中时带入杂质导致硫化锂纯度不高的问题。
进一步地，上述方案通过采用初次在不锈钢炉中加热，二次在管式炉中加热的二次加热方案，优化了生产工艺，使单质硫与金属锂充分反应生成硫化锂，提高了金属锂的收率，以及通过提高单质硫的使用率，来提升硫化锂的纯度，再次有效地解决硫化锂使用在锂硫系固态电池中的纯度不高的问题。
实施例一：将金属锂与单质硫按照1.5:1.4的质量比放入钛锅中，再将钛锅放入不锈钢炉中，保持炉中处于真空状态，在硫化氢气氛下加热，将初始温度为15℃的不锈钢炉升温至400℃，反应2小时后取出前驱体，然后按照单质硫：碳纳米管：前驱体=0.06∶0.03∶1的质量比混合后球磨2小时，加入碳纤维作为支撑剂充分混合，然后置于管式炉的料柱中在氩气的惰性气氛中升温至400℃，然后将CO2以0.001m/s的流速通入料柱中并继续升温至600℃处理3小时，使CO2进入微间隙中形成致密的碳包覆层，制备硫化锂复合材料。
实施例二：将金属锂与单质硫按照1.5:1.2的质量比放入钛锅中，再将钛锅放入不锈钢炉中，保持炉中处于真空状态，在硫化氢气氛下加热，将初始温度为15℃的不锈钢炉升温至400℃，反应2小时后取出前驱体，然后按照单质硫：碳纳米管：前驱体=0.08∶0.03∶1的质量比混合后球磨2小时，加入碳纤维作为支撑剂充分混合，然后置于管式炉的料柱中在氩气的惰性气氛中升温至400℃，然后将CO2以0.001m/s的流速通入料柱中并继续升温至600℃处理3小时，使CO2进入微间隙中形成致密的碳包覆层，制备硫化锂复合材料。
实施例三：将金属锂与单质硫按照1.5:1.5的质量比放入钛锅中，再将钛锅放入不锈钢炉中，保持炉中处于真空状态，在硫化氢气氛下加热，将初始温度为15℃的不锈钢炉升温至400℃，反应2小时后取出前驱体，然后按照单质硫：碳纳米管：前驱体=0.05∶0.03∶1的质量比混合后球磨2小时，加入碳纤维作为支撑剂充分混合，然后置于管式炉的料柱中在氩气的惰性气氛中升温至400℃，然后将CO2以0.001m/s的流速通入料柱中并继续升温至600℃处理3小时，使CO2进入微间隙中形成致密的碳包覆层，制备硫化锂复合材料。
对比例1
将金属锂与单质硫按照4:1的比例放入钛锅中，再将钛锅放入不锈钢炉中，保持炉中处于真空状态，在硫化氢气氛下加热，将初始温度为15℃的不锈钢炉升温至400℃，反应2小时后取出前驱体，然后按照单质硫：碳纳米管：前驱体=0.06∶0.03∶1的质量比混合后球磨2小时，然后置于管式炉的料柱中在氩气的惰性气氛中升温至400℃，制备硫化锂复合材料。
对比例2
将金属锂与单质硫按照4:1的比例放入钛锅中，再将钛锅放入不锈钢炉中，保持炉中处于真空状态，在硫化氢气氛下加热，将初始温度为15℃的不锈钢炉升温至400℃，反应2小时后取出，制备硫化锂复合材料。
（1）收率分析
可将实施例1制备硫化锂表示为两个反应：
反应1: 2Li + S → Li2S + H2（H2S气氛下）
反应2: 2Li + 2H2S → Li2S + 2H
其中，反应2化学式中的 "2H" 表示两个氢原子，它们是独立存在的两个原子，没有任何化学键将它们连接在一起，因此，"2H"不是一个分子的化学式，而是两个原子的化学式。
反应1和反应2都产生Li2S，因此我们可以将它们视为同步反应。要计算总收率，我们需要找出反应1和反应2中哪个是限制反应。这可以通过比较每个反应中的反应物的摩尔比例来确定。
反应1中，每2摩尔的Li需要1摩尔的S来反应，因此，反应1的摩尔比例是2:1。在反应2中，每2摩尔的Li需要2摩尔的H2S来反应，因此反应2的摩尔比例是2:2，也就是1:1。
因此，反应1中的Li是过量反应物，而反应2中的H2S是限制反应物。
我们可以通过以下步骤计算总收率：
1.计算反应2中H2S的摩尔数，这将是生成的Li2S的摩尔数。因为H2S是限制反应物，所以反应2中生成的所有产物都将完全转化为产生的Li2S；摩尔数H2S=(摩尔数Li×2)/2=摩尔数Li。
2.计算反应1中剩余的Li的摩尔数，因为反应1中的Li是过量反应物，所以不会完全消耗；剩余的Li摩尔数=摩尔数Li-摩尔数H2S/2。
3.计算H2的摩尔数。因为只有反应1中产生了H2，所以我们只需要考虑反应1；H2的摩尔数=摩尔数Li/2。
4.计算总收率Li2S的摩尔数；总收率摩尔数Li2S=摩尔数H2S。
5.计算总收率H2的摩尔数；总收率摩尔数H2=H2的摩尔数。
因此，总收率Li2S是摩尔数Li，总收率H2的摩尔数是摩尔数Li/2。
请进一步参阅下表1及下表2，下表1为采用球磨法、溶剂法、高温高压法及直接碳复合法制备硫化锂的收率的测试结果，下表2为采用实施例1-3以及对比例2制备硫化锂的收率的测试结果；
表1
区分 球磨法 溶剂法 高温高压法 直接碳复合法
收率 92% 93% 94% 93%
表2
区分 实施例1 实施例2 实施例3 对比例2
收率 99.1% 98.7% 98.5% 90%
结合表1-表2分析可知：相比现有技术中的球磨法、溶剂法、高温高压法和直接碳复合法制备硫化锂，采用实施例1制备硫化锂，能够有效提高制备硫化锂过程中的收率。
结合表2分析可知：通过采用初次在不锈钢炉中加热，二次在管式炉中加热的二次加热方案，相比于单次加热，二次加热方案能够使单质硫与金属锂更加充分反应生成硫化锂，提高了金属锂的收率，也提高单质硫的使用率。
可以理解的是，金属锂价格昂贵，通过提高金属锂的收率，能够有效提升制备硫化锂过程中的经济效益。
（2）SEM分析
请进一步参阅图1及图2，图1为实施例1制备的硫化锂复合材料的SEM图，图2为对比例1制备的硫化锂复合材料的SEM图，结合图1及图2分析可知：实施例1制备的硫化锂复合材料包覆层紧实且致密，对比例1制备的硫化锂复合材料包覆层上存在孔洞，虽将硫化锂复合材料包覆但未包覆紧密。
（3）充放电性能测试
本领域技术人员可以理解的是，通过恒流法(Constant Current Method)进行硫化锂电化学分析，具体而言，该方法利用电化学恒流充电/放电技术来测量硫化锂电池的电容量和内阻。
请进一步参阅图3，图3为实施例1及对比例1制备的硫化锂复合材料的电化学分析图，其中，锂电池的端电压，指锂电池被连接在回路中处于工作状态时，检测到的电池正负极之间的电压，其数值等于锂电池电势减去欧姆内阻占压后，剩余的电压值，曲线上升过程代表充电过程，曲线下降过程代表放电过程。
结合图3分析可知：实施例1相较于对比例1，具有更加迅速的充电及放电速度，对比例1相较于理论标准样，具有更加迅速的充电及放电速度，而具有更加迅速的充电及放电速度，能够实现快速充电以及短时间内输出的更多能量的显著优势。
如上的原因在于，在硫化锂表面形成包覆层后，一方面减少了硫化锂吸湿被氧化的可能性，另一方面还能使硫化锂复合材料的整体性能得到改善，用作硫化锂电池后，提升了充电及放电速度；而在包覆层上进行微间隙填充以后，在硫化锂表面形成了更加致密的包覆层，使得到硫化锂复合材料的整体性能得到显著改善，用作硫化锂电池后，进一步提升了充电及放电速度。
最后应说明的是：本发明实施例公开的仅为本发明较佳实施例而已，仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各项实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种硫化锂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备前驱体；
在前驱体上形成包覆层；
在包覆层上进行微间隙填充；
其中，所述制备前驱体包括：将锂源和第一硫源混合，获得第一混合物；
将第一混合物在预设压力下从第一温度升温至第二温度；
所述微间隙填充为气态碳源在微流动状态下填充；
所述微间隙填充包括：将形成包覆层的前驱体在惰性气氛下升温至第三温度，向料柱中通入气态碳源，继续升温至第四温度以下；
所述在前驱体上形成包覆层包括：向前驱体中补充第一硫源，加入支撑剂与固态碳源获得第二混合物，将第二混合物进行球磨处理，在前驱体的表面形成包覆层；
所述第一温度为10-50℃；
所述第二温度为400-500℃；
所述预设压力为负压；
所述升温的时间为2-3h；
所述第三温度为350-400℃，所述第四温度为800℃。
2.根据权利要求1所述的一种硫化锂的制备方法，其特征在于，所述第一硫源为单质硫；所述锂源为金属锂；
所述锂源与第一硫源的质量比为1.5:1.2-1.5。
3.根据权利要求2所述的一种硫化锂的制备方法，其特征在于，所述制备前驱体步骤还包括：添加第二硫源。
4.根据权利要求3所述的一种硫化锂的制备方法，其特征在于，所述第二硫源为硫化氢。
5.根据权利要求1所述的一种硫化锂的制备方法，其特征在于，所述形成包覆层过程中，第一硫源、固态碳源以及前驱体的质量比为0.05-0.1∶0.02-0.04∶1。
6.根据权利要求5所述的一种硫化锂的制备方法，其特征在于，所述气态碳源为CO、CO2或CH4中的一种或几种；
所述固态碳源为多孔炭、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、炭黑、石墨和乙炔黑的一种或几种。
7.一种硫化锂的应用，其特征在于，将硫化锂用于锂-硫电池正极材料或全固态电池中合成硫化物固态电解质的原材料，所述硫化锂由权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备得到。
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