[发明专利]一种基于3D打印的Li2

说明书

本发明提供的一种基于3D打印的Li₂S正极材料及其制备方法，包括多孔碳骨架和均匀分布在多孔碳骨架上的Li₂S颗粒，Li₂S正极材料中Li₂S颗粒的质量百分数为30wt％；多孔碳骨架的孔径为2～8nm，Li₂S颗粒的尺寸为500nm～2μm。制备方法为将硫酸锂、棉花纤维素和碳纳米管按照质量比为1:1:1的比例加入去离子水中，再加入均为棉花纤维素质量的20％的次磷酸钠和1,2,3,4‑丁四羧酸，搅拌后得到墨水，3D打印得到打印电极，经冷冻干燥后，在氩气氛围中800～880℃高温碳化4～6h。本发明所得Li₂S正极材料具有超高面容量密度，可应用于高负载的锂硫电池。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料领域，具体涉及一种基于3D打印的Li₂S正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池作为锂离子电池的一种，凭借其高理论容量密度和低成本的优势受到了能源界的广泛关注。锂硫电池以硫作为正极材料，但是硫的绝缘性使得活性材料的利用率较低，导致电池的实际容量密度较低，极大限制了商业化锂硫电池的发展。尤其在高负载的锂硫电池中，电解液的浸润变得更加困难，电解液中锂离子的传输受阻，极化增加，这为高负载锂硫电池的应用带来了严重挑战。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于3D打印的Li₂S正极材料及其制备方法，具有超高面容量密度，可应用于高负载的锂硫电池。

一种基于3D打印的Li₂S正极材料，其特征在于，所述Li₂S正极材料包括多孔碳骨架和均匀分布在多孔碳骨架上的Li₂S颗粒，Li₂S正极材料中Li₂S颗粒的质量百分数为30wt％；所述多孔碳骨架的孔径为2～8nm，Li₂S颗粒的尺寸为 500nm～2μm。

进一步地，所述Li₂S正极材料通过3D打印技术呈栅格状，利于电解液的浸润。

一种制备上述基于3D打印的Li₂S正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将硫酸锂(Li₂SO₄)、棉花纤维素(TCNF)和碳纳米管按照质量比为 1:1:1的比例加入去离子水中，搅拌得到悬浊液；其中，悬浊液中棉花纤维素的浓度为0.02～0.04g/mL；

步骤2：分别将质量均为棉花纤维素质量的20％的次磷酸钠(SHP)和1,2,3,4- 丁四羧酸(BTCA)加入上述悬浊液中，充分搅拌后，得到用于3D打印的墨水；

步骤3：将上述墨水进行3D打印，获得打印电极；

步骤4：上述打印电极经冷冻干燥后，在氩气氛围中800～880℃高温碳化4～6 h，原位生成Li₂S颗粒，最终制得Li₂S正极材料。

进一步地，步骤1中搅拌的条件为1000～6000r/min的转速下搅拌0.5～2h。

进一步地，步骤3中3D打印的条件为在15psi的压力下以5～10mm/s的针头速率打印。

进一步地，步骤3中按照栅格状结构进行3D打印。

进一步地，步骤4中冷冻干燥的时间为8～16h，冷冻干燥的温度设置为 -50～-70℃。

本发明还提出了一种应用基于3D打印的Li₂S正极材料的锂硫电池正极，其中，Li₂S的负载为2～10mg/cm²。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：