[发明专利]一种用于锂硫二次电池的高硫含量正极材料制备方法

说明书

本发明涉及一种用于锂硫二次电池的高硫含量正极材料制备方法。本发明的方法利用高速旋转的球磨机实现硫在正极材料载体中的有效分散，避免了原有锂硫电池正极材料制备工艺中使用加热、化学反应等方法来制备碳‑硫复合物正极的方式。通过选用适当转速的球磨机，可以实现活性物质硫在正极材料中的均匀、重复性分散，对正极的硫含量可以进行有效的控制，无须通过热重等分析方法对获得的碳硫复合物材料进行硫含量标定。针对原有加热、化学反应等方法制备的碳‑硫复合物，本发明选用了更加安全、易于操作的方式，避免了上述操作过程中的硫损失，为高硫含量正极的制备提供了一种全新的思路，将有助于提高锂硫二次电池的整体容量。

发明领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种用于锂硫二次电池的高硫含量正极材料制备方法。

背景技术

便携式电子通信设备的发展对其所用的化学电源性能提出了更高的要求，高能量密度和长使用寿命的电池系统成为其进一步发展的瓶颈，而且电动汽车的不断发展也要求高比能量电池的出现，但是已经接近其理论能量密度的传统锂离子电池仍不能满足这些设备的要求，开发新的高比能量电池体系势在必行。

锂硫电池由于具有极高的容量(1672mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)，并且正极硫材料具有价廉、无毒、含量丰富等众多优点，是受到广泛关注的一类新型电池系统。但是正极硫在常温下是离子和电子绝缘体(电导率是1.0×10^-30S/cm，25℃)，必须通过添加导电剂的方法来构建正极的导电网络。另一个方面，锂硫电池与常规的锂离子电池不同，其会在充放电过程中产生可溶于大部分有机溶剂的多硫化物，而多硫化物的溶解、扩散不仅导致了活性物质硫的损失，导致硫的利用率下降，扩散到负极的高阶多硫化物也会与锂作用，消耗负极锂，降低了电池体系的实际容量和能量密度。目前针对这两大问题，主要是通过物理性包覆或化学吸附的方式来实现对多硫化物的截留，使其尽量多的保留在正极一侧。例如，Nazar等通过硫与介孔碳的复合，利用介孔孔道限制多硫化物的迁移，获得了较高性能的电极材料(Nat Mater.2009.8(6):500-506.)；中科院合成了微孔碳材料，获得了较高的容量和稳定性能(J.Am.Chem.Soc.2012,134(45),18510-18513)。

虽然目前的锂硫电池获得了远远高于锂离子电池的比容量，但导电剂和抑制多硫化物扩散的物质的大量添加导致其活性物质硫含量普遍偏低，大部分在30-50％之间，一些能够做到70％以上的研究也由于条件苛刻及重复性差、难以对硫含量进行定量控制等原因而难以实用化。因此，必须不断提高锂硫电池正极中的硫含量，开发一种可以大批量、均匀重复制备的高硫含量的锂硫电池正极材料的工艺成为锂硫电池商用进程中的关键。

发明内容

本发明的目的在于避免目前锂硫二次电池正极碳-硫复合物制备过程中的加热或化学反应步骤因高温而增加的单元操作的危险性，同时加热也会导致硫的损失，，而化学反应过程使用的有机溶剂的后续除杂工艺增加了成本，也有环境污染的风险，因此提供一种用于锂硫二次电池的高硫含量正极材料制备方法，提高锂硫电池在制备过程中的安全环保、可控特性，以实现锂硫电池的全生命周期内的节能环保十分必要。本发明的方法用球磨的方式来实现锂硫二次电池正极中高硫含量的可控、均匀的重复性制备。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于锂硫二次电池的高硫含量正极材料制备方法，使用球磨机球磨处理碳材料和单质硫制备碳硫复合物，实现硫在碳硫复合物中的分散，得到高硫含量正极材料；其中碳硫复合物中的硫的质量百分比为30％～99％。

所述球磨处理的条件为：速度为：5-500rpm；时间为：0.5-50h。

通过干法或湿法制备碳硫复合物，所述干法是直接将碳材料和单质硫混合后在球磨机中处理；所述湿法是将碳材料和单质硫溶解在有机溶剂中，然后共同置于球磨机中处理，通过干燥去除有机溶剂后得到碳硫复合物。

单批次碳硫复合物处理量为10g～10kg。