[发明专利]一种锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，更具体地说，涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

随着传统资源和能源日益紧缺、环境问题日趋严重，开发新的能源储存及转换技术已经成为各国的能源战略重点。在众多研究的电池体系中，由于单质硫具有高比容量(1675 mAh g^-1)，且其与金属锂电极配对成锂硫电池理论上具有高能量密度(2600 Wh kg^-1)的优点，被认为是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次锂电池正极材料。另外，硫作为活性物质具有资源丰富、环境友好、电池安全性高等优势，使得大规模应用得以成为可能。

尽管锂硫电池优点突出，但也存在一些缺点：第一，单质硫的电子导电性很差，其电子电导率只有5×10⁻³⁰ Scm^-1，难以完全发生电化学反应 ；第二，硫在充放电过程中，反应生成的中间产物多硫化锂易溶于液态电解液，导致有效物质流失，同时造成电解液粘度增大和离子电导率下降；另外，部分放电过程中生成的多硫化锂从正极表面经由电解液扩散到负极表面沉积，在负极表面发生反应生成绝缘的硫化锂等物质，增大了负极的界面阻抗，并且使锂负极发生自放电反应，造成有效物质的损失，从而致使电池的循环稳定性降低，循环容量衰减，库伦效率降低。为解决这些问题，就需要将硫与具有大比表面积的导电碳材料均匀复合，改善硫的导电能力，提高硫参与电化学反应的能力；同时利用大比表面积的导电碳材料吸附多硫化物，抑制多硫化物从导电网络上的溶出，从而达到提高电池的循环稳定性和库伦效率的效果。

目前，将硫和其他导电碳材料复合在一起的方法主要有以下两种方法；一种是热处理；另外一种是液相法。

就热处理而言，一般需要先将硫与碳材料经过长时间的球磨使其充分混合，再将球磨产物经过热处理得到碳硫复合材料。这种方法很难将硫和导电碳材料均匀地复合到一起，批次稳定性较差，难以对硫在碳材料中的分散进行控制，得到的碳硫复合材料电化学性能较差；而且，这种方法制备时间冗长，伴随有高能耗的球磨和高温处理过程。

液相法相比球磨热处理而言，比较容易实现硫和导电碳材料的均匀复合。但是，目前已报道的液相法主要依赖于化学沉淀法和溶剂交换法。化学沉淀法一般采取过硫化物为原料，经过化学反应得到硫沉积在材料表面，该方法工艺步骤较多，且会在体系中引入多硫化物、无机盐等物质，不利于碳硫比例的精确调控，且对性能造成影响；溶剂交换法是利用硫在不同溶剂中溶解度差异实现硫的析出，该方法局限于硫的溶解度较低，不利于大规模制备的开展。这些方法对于工业化生产来说都是不利的，不能实现连续化生产，成本高，效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，这种方法成本低、效率高、简单快速、稳定性好、便于工业化大规模连续化生产。并且使用该方法可得到均匀复合的碳硫复合材料，将这种复合材料应用于锂硫电池正极材料，表现出优异的电化学性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括：

步骤a)将单质硫与带有氨基或亚氨基试剂反应形成硫源溶液；

步骤b)将碳源与硫源溶液混合，得到碳硫混合溶液；

步骤c)将碳硫混合溶液经过沉淀、过滤或离心工艺处理，得到沉淀物；将所述沉淀物洗涤并干燥，获得所述锂硫电池正极材料。

优选的，所述的碳源包括分散溶剂以及分散在该溶剂中的碳材料；所述碳源中碳材料的质量百分比为0.1%~20%。

优选的，制备步骤b)的碳硫混合溶液时还加入pH≤11的含有氢离子的溶液；所述含有氢离子的溶液选自水、无机酸、有机酸或者弱碱性水溶液。

优选的，所述单质硫为任何单质形态的硫的同素异形体。

优选的，所述带有氨基或亚氨基试剂为伯胺和仲胺中的一种或几种。

优选的，所述硫源溶液中硫的质量百分比为10%~50%。

优选的，所述碳材料选自碳纳米管、碳纤维、活性炭、乙炔黑、导电炭黑、石墨烯和氧化石墨烯中的一种或者几种。

优选的，所述分散溶剂为水。

所述分散溶剂选自乙醇、丙醇、丁醇、异丙醇、乙二醇、丙酮和丁酮中的一种或多种；所述分散溶剂中还加入pH≤11的含有氢离子的溶液；所述含有氢离子的溶液选自水、无机酸、有机酸或者弱碱性水溶液。

优选的，所述碳硫混合溶液中硫与碳材料质量比为20:1~2:3。