[发明专利]一种锂硫电池正极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极的制备方法，属于电化学电池领域。

背景技术

锂硫电池是一种利用锂与硫发生化学反应的二次电池，其负极采用金属锂片，正极为含硫材料，放电时负极产生锂离子，正极中的硫与锂离子反应生成硫化物，充电时正负极反应逆向进行。单质硫的理论质量比容量为1675mAh/g，这要高于通常锂离子电池正极采用的金属氧化物的理论放电比容量(LiCoO₂、LiNiO₂和LiMn₂O₄的理论放电比容量分别为274mAh/g、274mAh/g和148mAh/g)，此外，单质硫价格低廉，对环境友好，这使得锂硫电池在轻小型电子产品的电池领域有广阔应用前景。

由于单质硫是电子和离子绝缘体(25℃时电导率为5×10^-30S·cm^-1)，正极的通常制备方法是将硫、乙炔黑(导电剂)和粘结剂(如聚偏氟乙烯PVDF)均匀混合制成浆料后，刮涂在金属箔(集流体)上，干燥后制得正极。由于正极是依靠乙炔黑颗粒间的接触导电，正极反应生成的Li₂S₂和Li₂S等绝缘物会造成导电途径破坏，导致正极导电性下降；同时，正极中含有的粘结剂主要为高分子聚合物，它们的导电性差，这又降低了正极的导电性，导致硫的利用率和正极放电比容量不高。此外，放电时正极反应生成的多硫化物会不可逆地溶于电解液而损失，这导致正极的循环放电稳定性不高。

研究人员尝试多种方法提升正极导电性和增强正极对多硫化物的吸附性，王翀等人[电化学，2010，16(2)：168-171]尝试加入多孔碳凝胶来改善正极性能，他们制得碳凝胶后，将其与硫加热混合后，再与导电剂和粘合剂混合，后将混合物涂布在铝箔上，干燥后即制得正极。多孔碳凝胶的加入增强了正极对多硫化物的吸附性，提升了正极循环放电稳定性，但是，碳凝胶由于具有多孔结构而不具有良好导电性，使得它对正极性能的提升程度不高，且正极中导电性差的粘合剂会降低正极导电性。吴峰等人[新型炭材料，2010，25(6)：421-425]尝试在正极中加入具有良好导电性的多壁纳米碳管，他们将纳米碳管与硫加热混合后，再与乙炔黑和聚偏氟乙烯PVDF混合，后将混合物涂布在铝箔上，60℃真空干燥24h后制得正极。纳米碳管在正极中形成导电网络，提升了正极的导电性，且其表面通过对多硫化物的吸附作用而阻碍其溶于电解液，提升了正极的循环放电稳定性。但是，纳米碳管由于其大比表面积而容易团聚，造成其难以均匀分散在正极中，这不利于构建良好的导电结构；并且正极中含有导电性差的聚偏氟乙烯PVDF，它会降低正极导电性。因此，构建均匀分布且导电良好的结构及避免粘结剂的使用能大程度改善正极性能。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出的一种锂硫电池正极的制备方法，其先在金属集流体上制备碳纤维膜，后将硫通过加热法渗入碳纤维膜中，即制得附有硫/碳纤维复合膜的正极，电极制备过程中无须加入粘结剂，且不须干燥。

本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：一种锂硫电池正极的制备方法，其特征在于包括有如下步骤：

1)金属箔的预处理：

将金属箔裁减成直径为11-13mm的金属圆片，先用吸有丙酮的棉球擦拭金属圆片表面3-4分钟，后将金属圆片放入蒸馏水中超声清洗2-3分钟，取出晾干；

2)碳纤维膜的制备：

将步骤1)处理后的金属圆片放入化学气相沉积装置的腔体中，通过等离子体分解反应气体或热分解反应气体的方法，以金属圆片为催化剂，在其表面制备碳纤维膜；

3)碳纤维膜渗硫：

将步骤2)制备的碳纤维膜表面均匀撒上硫粉，每个金属圆片上的硫粉质量为0.8-1.2g，然后将金属圆片放入管式炉中，在充满氩气的气氛中170-230℃下保温3-5h，冷却至室温后制得锂硫电池正极。

按上述方案，所述的金属箔为铁箔或镍箔。

按上述方案，所述的化学气相沉积装置为微波化学气相沉积装置或热丝化学气相沉积装置。

按上述方案，步骤2)所述的反应气体为H₂和CH₄的混合气体；H₂和CH₃CH₂OH蒸气的混合气体；H₂和CH₃COCH₃蒸气的混合气体中的任意一组混合气体。