[发明专利]功能型复合颗粒的无溶剂制备方法、复合颗粒及其应用

说明书

本发明涉及电化学储能领域，具体涉及一种功能性复合活性颗粒的无溶剂制备方法及功能型复合颗粒及其应用。本发明提供一种功能型复合颗粒的无溶剂制备方法：将低熔点活性物质与高比表面积的纳米材料进行机械物理共混，在流场剪切力和热作用下，各组分实现粉碎，活性物质实现熔融或气化，进而实现活性物质在纳米材料内表面的自发吸附和复合，最终得到功能型复合二次颗粒。本发明提供锂硫电池正极复合材料的硫蒸汽‑熔体复合加工制备方法，该方法不仅能能制得锂硫电池正极复合材料，而且能够实现调控该锂硫电池正极复合材料粒径的目的；同时本发明的制备方法简单易行低成本，便于规模化生产。

技术领域

本发明属于电化学储能领域，具体涉及一种功能性复合活性颗粒的无溶剂制备方法、及采用该方法制得的功能型复合颗粒及其应用。

背景技术

随着便携式电子产品、混动汽车和纯电动汽车的广泛应用，迫切需要开发出更高能量密度和环境友好型的锂离子电池等储能器件以满足市场需求。目前市场商业化的锂离子电池比容量很难超过300mAh/g，同时在生产、开发和废物处理中对自然资源和环境造成很大压力。锂硫电池因为其原料S丰富低廉、环境友好、高的理论比容量 (1650mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)被认为是未来最有潜力的商业储能器件之一。然而，锂硫电池在充放电过程中却遇到很多问题，如：硫生成的中间价态的绝缘性，多硫化物的“穿梭效应”和锂负极枝晶等。研究者通过碳基材料、金属氧化物及其复合材料的结构和功能化设计，有效地改善锂硫电池正极的导电性和锂硫电池“穿梭效应”，极大地提高锂硫电池电化学性能和循环寿命。

目前，锂硫电池真正实现商业化仍面临一系列障碍和困难。硫正极作为其中最为关键的核心组件，其结构-功能的合理设计与控制、可规模加工制备等都是决定其能否走向实用的关键所在。目前制备锂硫电池正极复合材料的主要方法是化学沉积法和加热熔融共混法，两种方法制备的二次颗粒均能实现硫和碳材料或者金属氧化物的有效复合，实现对硫正极导电性能的改善和一定程度的多硫化物穿梭的抑制。但是，采用上述两种方法仍具有以下不足：

1.普通加热熔融法制备出的硫碳等复合物二次颗粒粒径和形貌均不能实现较好的控制和加工，同时硫单质与碳导电剂的接触不充分，从而严重影响锂硫电池的电化学性能。

2.化学沉积法虽然能实现形貌和粒径的较好控制，但是往往涉及化学合成、模板刻蚀、洗涤和离心等复杂工艺和大量溶剂的使用。

同时，两种方法对设备要求较高，耗时长，生产效率低，不利于锂硫电池大规模商业化。

发明内容

针对锂硫电池正极材料复合物二次颗粒的结构和功能目前存在的调控能力差、加工成本高等问题，本发明提供锂硫电池正极复合材料(功能型复合物二次颗粒)的硫蒸汽-熔体复合加工制备方法，该方法不仅能能制得锂硫电池正极复合材料，而且能够实现调控该锂硫电池正极复合材料粒径的目的；同时本发明的制备方法简单易行低成本，便于规模化生产；并且该方法能够拓展为一种功能型复合颗粒的无溶剂制备方法，所得功能型复合颗粒能够作为聚合物复合材料的功能填料或电化学催化的活性材料。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种功能型复合颗粒的无溶剂制备方法，所述制备方法为：将低熔点活性物质与高比表面积的纳米材料进行机械物理共混，在流场剪切力和热作用下，各组分实现粉碎，活性物质实现熔融或气化，进而实现活性物质在纳米材料内表面的自发吸附和复合，最终得到功能型复合二次颗粒；其中，所述低熔点活性物质为熔点低于300℃的活性物质，所述高比表面积的纳米材料指比表面积≥50m²/g的纳米材料。

进一步，所述高比表面积的纳米材料基于碳材料、金属氧化物、氮化物、有机骨架及它们的相关衍生物。

进一步，所述低熔点活性物质包括但不局限于：硫单质、硒单质、磷单质、锡单质及其化合物(如含硫化合物、含硒化合物、含磷化合物和含锡化合物)。