[发明专利]一种基于碳管束的柔性锂硫电池电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料科学领域，特别涉及一种基于碳管束的柔性锂硫电池电极，还涉及该电极的制备方法，还涉及包括该电极的柔性锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是目前学术界和工业界正在共同开发的锂离子二次电池体系中具有较高能量密度的一种，采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质，其理论能量密度达2600Wh/kg，是高能量密度性能二次电池的代表和方向。同其它电池相比，锂硫电池具有比容量高（单质硫的理论比容量达1680mAh/g）、硫资源丰富、环境友好、价格便宜等优点。

然而，锂硫电池在实际应用中仍然存在许多问题，其中比较突出的两点：一是，由于硫的离子导电性和电子导电性都很低，导致电极中硫的电化学性能不佳及利用率低；二是，由于锂硫电池电极在充放电过程中存在着活性物质溶解和穿梭效应的现象，导致电池的容量衰减较快。

锂离子二次电池的柔性化设计也已受到学术界的广泛关注。这种电池采用简单的自支撑负极-电解质和隔膜层-自支撑正极的夹层三明治结构设计，由于省去了集流体、钢壳以及大量灌注的有机电解液，电池的比能量密度和安全性得到了很大的提升且应用领域变得更为广泛。

中国专利201110176795.8公开了一种采用氧化铝模板生长碳纳米结构负载硫的方法，较好地实现了锂硫电池电极的柔性化，由于采用了具有高导电性的碳纳米结构，上述方法也能有效解决锂硫电池电极导电性差的固有问题。然而，该方法采用了氧化铝模板和气相化学沉积相结合的办法来制备上述电极中的关键组成—高导电性的碳纳米结构，这就使上述方法的规模化应用受到限制，且对仪器设备，实验的操作技术提出了较高的要求。因此，发展一种简单可靠、可规模化应用的柔性锂硫电池电极的新技术是很有必要的。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种力学性能好、电化学性能优良、能量密度高的基于碳管束的柔性锂硫电池电极。

本发明的第二目的是提供上述负极的制备方法。

本发明的第三目的是提供一种包括该电极的锂离子二次电池。

技术方案：本发明提供的一种基于碳管束的柔性锂硫电池电极，所述电极为聚合物包覆的负载硫的芘或芘衍生物修饰的碳纳米管柔性电极。

作为优选，所述聚合物为吡咯聚合物。

本发明还提供了上述基于碳管束的柔性锂硫电池电极的制备方法，包括以下步骤：

（1）芘或芘衍生物修饰的碳纳米管的制备：将碳纳米管置于芘溶液或芘衍生物溶液中，搅拌使反应，得芘或芘衍生物修饰的碳纳米管；

（2）负载硫的芘或芘衍生物修饰的碳纳米管的制备：将芘或芘衍生物修饰的碳纳米管溶液中加入硫源水溶液，调pH至5-7，搅拌使反应，静置，即得负载硫的芘或芘衍生物修饰的碳纳米管；

（3）电极前驱体浆料的制备：将负载硫的芘或芘衍生物修饰的碳纳米管加入吡咯单体溶液中，搅拌使吡咯单体在负载硫的芘或芘衍生物修饰的碳纳米管表面聚合，得电极前驱体浆料；

（4）柔性锂离子二次电池负极的制备：将电极前驱体浆料采用涂布、旋涂或抽滤的方式复合在基片上，干燥使基片分离，热处理，即得。

步骤（1）中，芘溶液或芘衍生物溶液为水溶液或乙醇溶液，其摩尔浓度为0.01-1mol/L，所述芘或芘衍生物与碳纳米管的质量比为1:（0.5-10）；反应时间为6-48h。

步骤（2）中，所述硫源为升华硫、Na₂S_x或Na₂S₂O₃中的一种或几种；反应温度为1-10℃，反应时间为12-48h；所述硫源与碳纳米管的质量比为（2-10）:1。

步骤（3）中，搅拌温度为0-40℃，搅拌时间为6-15h；所述吡咯单体与碳纳米管的质量比为（0.5-5）:1。

步骤（4）中，热处理温度为120-180℃，热处理时间为8-12h；基片为聚四氟乙烯基片。

本发明还提供了上述的基于碳管束的柔性锂硫电池电极在制备锂离子二次电池中的应用。

有益效果：本发明提供的基于碳管束的柔性锂硫电池电极制备工艺简单、成本低廉，该电极采用液相原位生长的方法硫材料负载在高导电性的碳纳米管网络上并在其上包覆导电聚合物，利用碳纳米管和导电聚合物复合体系具有较好的柔韧性的特点制备得到具有一定机械强度的柔性电极膜，能很好地实现电极的柔性化并改善硫材料的电化学性能，具有力学性能好、电化学性能优良、能量密度高的优点。

具体而言，本发明相对于现有技术具有以下突出的优势：