[发明专利]锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池以硫单质为正极，而以单质锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物,其反应方程式为：S₈+16Li⁺+16e^-1=8Li₂S。由于发生多电子转移反应，因此，其具有很高的理论比容量，比容量高达1672mAhg^-1。另外，由于硫单质是一种对环境友好的材料、无毒、成本低、且原料来源广泛，因此，使得锂硫电池受到越来越多的关注。

然而，由于硫单质具有绝缘的特性，在充放电过程中硫单质的体积会产生较大收缩和膨胀，并且，硫单质在放电反应中形成的中间产物（多硫化物，Li₂S_n，n=4~8）会溶于电解液，从而易于随电解液流失和在两电极之间发生“穿梭效应”，因此，限制了锂硫电池的比容量和循环稳定性。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有良好导电性能、能防止硫单质在充放电过程中产生收缩和膨胀，并能抑制多硫化物流失的锂硫电池正极材料及其制备方法。

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括：制备一碳纳米管原料；提供一单质硫以及一第一溶剂，所述单质硫可溶于所述第一溶剂；将该碳纳米管原料和单质硫加入至所述第一溶剂中，并超声分散一段时间，使该单质硫溶解于第一溶剂并使碳纳米管原料絮化形成一碳纳米管网络结构从而形成一第一悬浊液，所述单质硫在所述第一溶剂的浓度为0.1g/L到5g/L；在超声分散过程中，将一第二溶剂添加到所述第一悬浊液中，使单质硫析出形成一第二悬浊液，其中，所述单质硫难溶于所述第二溶剂，且所述第一溶剂与所述第二溶剂互溶；以及将所述第二悬浊液抽滤或干燥以去除溶剂，从而获得所述锂硫电池正极材料。

一种锂硫电池正极材料，该锂硫电池正极材料为一个多孔的三维网状结构，其表面和内部包括多个均匀分布的孔道，且所述孔道的内径大于等于20纳米小于等于10微米；该锂硫电池正极材料由一碳纳米管网络结构以及多个均匀吸附于该碳纳米管网络结构中的硫纳米晶组成；所述硫纳米晶与碳纳米管网络结构的质量比为0.5：1到2：1；所述碳纳米管网络结构包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管相互缠绕从而形成所述多个孔道；所述硫纳米晶通过范德华力附着在碳纳米管的表面或者被碳纳米管缠绕。

与现有技术相比较，本发明提供的锂硫电池正极材料具有以下优点。其一、由于硫纳米晶均匀附着在碳纳米管的表面或者被碳纳米管缠绕，因此，该锂硫电池正极材料具有良好的导电性能，进而可以提高该锂硫电池正极材料的比容量，其初始比容量可达1088mAhg^-1。其二、由于碳纳米管网络结构具有多个孔道，可以缓冲硫在充放电过程中高达80%的体积变化，故，该锂硫电池正极材料在使用时不会发生结构的破坏和坍塌，从而使该锂硫电池正极材料具有良好的结构稳定性。其三、该碳纳米管网络结构还可以对硫纳米晶及其反应产物（多硫化物）产生一定的束缚作用，防止硫纳米晶在反应过程中流失，从而提高锂硫电池正极材料的循环性能。此外，本发明实施例提供的锂硫电池正极材料的制备方法，通过第一溶剂、第二溶剂以及所述单质硫浓度的选择，从而获得粒径可控、且均匀分布的硫纳米晶，并使硫纳米晶与碳纳米管形成良好的结构。另外，本发明提供的锂硫电池正极材料的制备方法还具有方法简单、成本低、易于工业化等特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料的制备方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料的透射电镜照片。

图4为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料的扫描电镜照片。

图5为本发明对比例1获得的锂硫电池正极材料的扫描电镜照片。

图6为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料在充放电倍率为1C的条件下，其比容量及库仑效率随循环次数的变化曲线。

图7为本发明对比例2获得的锂硫电池正极材料在充放电倍率为1C的条件下，其比容量及库仑效率随循环次数的变化曲线。

图8为本发明实施例提供的锂硫电池正极材料在放电倍率为0.5C，不同充电倍率下，其比容量随循环次数的变化曲线。