[发明专利]一种锂硫电池用正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电池领域，涉及一种锂硫二次电池正极材料的制备方法，特别涉及一种硫/碳复合正极材料的制备方法。

背景技术

当今社会，能源短缺和环境污染是人类面临的巨大挑战。锂硫电池是近年来倍受关注的高能量二次绿色化学电源。但是，锂硫电池还存在一些问题，阻碍了其商业化的进程。

单质硫的离子导电性和电子导电性都很低，若室温下，正极为100%硫时的锂硫电池无法充放电；其次，在充放电过程中，产生的多硫化锂易溶于有机电解液，使正极的活性物质逐渐减少，且存在“飞梭反应”，溶解的多硫化锂会穿过隔膜到达电池的负极锂片上，并与之反应，造成内部自放电、电池负极的腐蚀和电池内阻的增加，导致电池的循环性能变差，容量逐步衰减。

对于硫正极材料的改性，主要包括硫与导电材料的复合、纳米金属氧化物对硫单质的包覆等，以达到提高硫正极的电导率、抑制多硫化物溶解的目的。硫的熔点较低，易升华，所以复合硫正极材料的制备多采用加热熔融或升华法。但是此类方法需在高温下合成，不同批次合成出的材料性能有差异，且不易产业化生产。其次，根据反应SO₃⁺+2H⁺=SO₂+H₂O和SO₂+2S^2-+4H⁺=3S+2H₂O，使用化学法合成单质硫，并在合成过程中与导电材料复合。制备出的硫颗粒较小，与导电材料分散较均匀，但是在合成过程中，使用强酸，会有H₂S、SO₂等有毒气体逸出，对环境造成污染。

因此，亟需开发一种成本低，操作简便，无污染的硫正极材料的制备方法，以改善其电化学性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂硫二次电池用硫正极材料的制备方法，此方法工艺简单，重复性好，通过使用比表面积较大的碳为载体，加入可溶硫的溶液，混合均匀后，将溶剂挥发即可，制备出一种高比能量的锂硫二次电池用硫正极材料。溶剂挥发过程中，溶剂可以回收再利用，对环境无污染。

本发明提供了一种锂硫电池用正极材料的制备方法，该方法包含以下具体步骤：

    步骤1，硫-有机溶液的制备：将单质硫与有机溶剂混合均匀使得单质硫完全溶解，得到硫-有机溶液，所述的有机溶剂选择二硫化碳、甲苯、环己烷和正辛烷中的任意一种以上；

    步骤2，硫正极材料的获得：将碳材料加入硫-有机溶液中，搅拌均匀，待溶剂去除后，即得到硫/碳复合材料，该硫/碳复合材料用作硫正极材料，所述的碳材料选择活性炭、介孔碳、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的任意一种以上或酸化（优选为硝酸酸化处理）后的活性炭、介孔碳、碳黑、碳纳米管、石墨烯中的任意一种以上。

上述的锂硫电池用正极材料的制备方法，其中，步骤1中，所述的硫-有机溶液中硫单质与有机溶剂的比例按照质量百分比计1-30%，进一步地，优选为5-10%。

上述的锂硫电池用正极材料的制备方法，其中，步骤2中，所述的硫/碳复合材料中硫含量按质量百分数计为70-99%。

上述的锂硫电池用正极材料的制备方法，其中，步骤2中，所述的溶剂去除方法为室温自然挥发或加热挥发方式等常用的干燥方式，在本发明中无特殊指定。

上述的锂硫电池用正极材料的制备方法，其中，所述的硫正极材料为碳包覆硫的硫/碳复合材料，粒径在1-5 mm。

上述的锂硫电池用正极材料的制备方法，其中，所述的混合方式为研磨或球磨等常用的分散方式，在本发明中无特殊指定。

本发明主要针对锂硫二次电池中单质硫正极室温下导电率低、可逆性差、利用率低等缺点，利用碳材料的高的电导率，制备出的硫/碳复合材料电导率高、比容量高、循环性能优异。

本发明使用简单易操作的方法制备硫/碳复合材料，利用碳的高比表面积和高的电导率，在液相体系中硫的分散性好，混合均匀后，将溶剂挥发，碳则吸附在硫颗粒的表面。溶剂挥发速率相同，析出的硫颗粒的粒径均一，即可制备尺度均一的硫/碳复合材料。

本发明的技术方案具有以下优点：

1）本发明的方法简单、方便；可重复性强；制备过程中没有固态原料的损失，且挥发的溶剂可以通过装置回收再利用，产率高；硫/碳复合材料中硫含量可控，控制原材料中的比例即可，不同的硫/碳原料比，产物中的硫含量相应不同，在溶解度允许的条件下可随意设置。