[发明专利]一种高能量密度的锂硫电池电极的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及用于电化学能量储存的锂硫电池领域，具体涉及一种高能量密度的锂硫电池电极的制备方法及应用。

背景技术

目前，锂离子电池的能量密度已难以满足电动汽车和移动电子设备迅速提高的使用需求，因此发展更高能量密度的新型二次电池势在必行。以单质硫作为正极材料的锂硫电池具有很高的理论比容量(1675mAh g^-1)和理论比能量(2600Wh kg^-1)，被认为是下一代高能量密度二次电池的最佳侯选之一。但由于单质硫的电子绝缘特性，以及硫的放电中间产物多硫化物溶于液体电解液所引起的“穿梭效应”严重影响锂硫电池的实际比容量和循环性能，锂硫电池的实际应用受到很大制约。

到目前为止，国内外对锂硫电池研究的主要集中在以下方面：[文献1，Ji XL,Lee KT,Nazar LF.Nat Mater.8:6(2009)；文献2，Wang HL,Yang Y,Liang YY,Robinson JT,Li YG,Jackson A,Cui Y,Dai HJ.Nano Lett 11:7(2011)；文献3，Li,WY,Zhang,QF,Zheng,GY,Seh,ZW,Yao HB,Cui,Y.Nano Lett,13:5534(2013).，即利用多孔碳、石墨烯、导电聚合物等高导电性材料来对硫进行修饰，以达到改善电极导电性和限制多硫化物溶解的目的。尽管取得了一定的进展，但目前研究中普遍存在一个很大的问题，就是研究者大多为了追求高的放电比容量和长的循环寿命，而忽视了电池极片上硫的负载量问题。极片的硫含量普遍小于2mg/cm²，通过对文献报道数据的换算，可以得出文献报道的正极极片面积比容量普遍为0.4～2mAh cm^-2，远小于已商品化的锂离子电池面积比容量(3mAh cm^-2)，因此极低的极片面积比容量导致锂硫电池的能量密度，反而不如商品化的锂离子电池。

因此，发明人提出了使用三维导电碳纤维网络碳骨架作为电极集流体(参见专利：申请号201510069412.5，一种柔性高导电三维连通空心碳纤维的制备方法)，将单质硫浆料分散在此三维骨架中，形成硫活性材料在三维导电碳纤维网络表面均匀分散负载的锂硫电池电极结构，实现了高硫负载量(1～80mg/cm²)电极材料的设计构筑，并获得了良好的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能量密度的锂硫电池电极的制备方法和应用，在锂硫电池中引入三维导电碳纤维网络结构，解决电极材料导电性差等问题。

本发明的技术方案如下：

一种高能量密度的锂硫电池电极的制备方法，首先制备三维导电碳纤维网络，然后将碳纳米管、导电炭黑与单质硫混合形成均匀的单质硫浆料，以三维导电碳纤维网络作为集流体，直接将三维导电碳纤维网络浸入单质硫浆料中，注入单质硫浆料后烘干，形成硫在三维导电碳纤维网络内均匀分布的碳/硫复合锂硫电池电极。

所述的高能量密度的锂硫电池电极的制备方法，三维导电碳纤维网络是以脱脂棉为原材料，通过800～1200℃高温处理使材料碳化、结晶化，从而得到体积可控、空心、高导电、柔性的碳纤维网络结构体，中空碳纤维的直径为1～100微米，内径为0.5～90微米。

所述的高能量密度的锂硫电池电极的制备方法，单质硫浆料是将单质硫、导电炭黑和碳纳米管混合分散在分散溶剂中，形成的分散性良好的浆料；分散之前，碳纳米管经过体积比1:(2～4)的浓硝酸与浓盐酸在50～70℃下24小时酸化处理，处理后的碳纳米管具有更好的分散性，单质硫粉、酸化处理后的碳纳米管以及导电炭黑的质量比例为(6～9):(0.5～2):(0.5～2)。

所述的高能量密度的锂硫电池电极的制备方法，单质硫浆料的制备方法有细胞粉碎超声、水浴超声或搅拌，实现均一分散。

所述的高能量密度的锂硫电池电极的制备方法，分散溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯醇、甘油、氯仿、四氯化碳、二硫化碳、丙酮、甲苯、二甲苯、冰醋酸、聚乙烯吡咯烷酮、丙酮、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、碳酸二甲酯、1,2-二甲氧基乙烷、环丁砜、乙腈、1,3-二氧环戊烷、二硫化碳和1,4-丁内酯中的一种或两种以上；单质硫为斜方硫、正交硫、无定形硫、升华硫中的一种或两种以上；碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、少壁碳纳米管或者多壁碳纳米管中的一种或两种以上。