[发明专利]自支撑多孔电极制备方法及其电极和应用

说明书

本发明涉及一种自支撑多孔电极制备方法及其电极，以有机高分子树脂、导电剂与碳硫复合物于有机溶剂中混合，刮涂在刻有凹槽的基底上，通过浸没相转化法制备电极胚体，将电极胚体与基底分离取出后经过洗涤、冷冻干燥，制备成自支撑多孔电极。该类柔性多孔电极制备方法简单，工艺环保，电极厚度可控，孔径大小、孔隙率可调，可最大限度的减少在剪切制片过程中的材料浪费，同时可以打破传统柔性自支撑电极对材料维度(1D,2D)的要求,适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种多孔电极及其制备方法，特别涉及锂硫电池用多孔电极。

背景技术

锂硫二次电池的柔性化设计在近年来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。其中，自支撑正极的柔韧性，电子、离子导电率决定着柔性电池的综合性能。而现有的柔性自支撑电极基本都围绕着能够形成良好3D网络的低维度(1D，2D)材料进行研究的，而对于0D材料束手无策。但就目前而言，1D和2D材料的种类相对0D材料来说很少，且制备条件较为苛刻，成本较高。因此，打破材料在维度上的限制，设计合成能够同时满足0D，1D，2D及宏观块体材料的柔性自支撑电极的制备方法极为重要。此外，电极材料结构及电极结构对电池的性能同等重要，特别对锂硫电池来说，高活性物质担量是发挥其高比能优势的必备条件。就目前而言，一方面，普通的刮涂方法很难制得10mg cm^-2以上担量的电极；另一方面，较为致密的结构中，离子和电子传输受阻，容量发挥不好。因此制备出高担量的具有良好离子、电子传输通道柔性自支撑多孔电极具有重要的研究价值。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂硫电池用柔性自支撑多孔电极的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

以一种或两种以上有机高分子树脂、导电剂与碳/硫复合物于有机溶剂中混合，刮涂在刻有凹槽的基底上，通过浸没相转化法制备电极胚体将与基底分离的电极胚体取出后冷冻干燥，制备成柔性多孔自支撑电极。

所述有机高分子树脂为聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚醚砜(PES)，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)中的一种或二种以上；

所述碳/硫复合物为商业化碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭或其相关修饰或活化的碳材料中的一种或二种以上与硫的复合物中的一种或二种以上；

导电剂为商业化碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭中的一种或二种以上；

所述刻有凹槽的基底为不溶于所用有机溶剂的塑料板、玻璃板、金属板或石墨板中的一种或两种以上的组合体。

所述凹槽的深度为100～5000μm。

所述电极表面至50nm深度的表层具有微孔(孔径小于2nm)、介孔(孔径2-50nm)或大孔(孔径大于50nm)中的一种或两种以上的孔结构，大于50nm深度的电极内部为大孔(孔径大于50nm)结构，孔隙率为10％～90％。

所述柔性自支撑多孔电极厚度为50-5000μm,孔径尺寸为0.5～10000nm，孔隙率为10～90％。

所述柔性自支撑多孔电极，有机高分子树脂的质量占电极总质量的3wt％～60wt％；导电剂占电极总质量的5wt％～20wt％。

所述柔性自支撑多孔电极，活性硫占整个电极质量的30wt％～85wt％，碳硫复合物中硫含量为50wt％～90wt％。