[发明专利]硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料及其制备方法和应用，其技术方案是将碳管与硫单质混合研磨，加入CS₂充分搅拌之后烘干制得碳管载硫复合材料；将碳管载硫复合材料与炭黑、聚偏氟乙烯按一定质量比混合，然后加入N‑甲基吡咯烷酮，以及硅基分子筛搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000‑10000cps，得到浆料，将所得浆料以150‑400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40‑60℃烘箱内烘干，得硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料；本发明的制备方法，操作简单，易于大规模生产；制得的硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池中，能解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种用于锂硫电池改善其电化学性能以及抑制多硫化物穿梭效应等方面的硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料及其制备方法以及在锂硫电池中的应用。

背景技术

随着经济高速发展以及人们生活方式的进步，人们对能源的需求日益增长，然而化石燃料造成的环境污染及其储量的日趋枯竭，使得人们对新型替代能源的需求越来越紧迫。新能源，特别是化学能源具有清洁环保和安全高效等特点，符合人类可持续发展战略的要求而倍受青睐。目前，全球范围内正在安装太阳能电池板和风力发电场，但是要充分利用这些间歇性能源，可充电电池系统是至关重要的一部分。锂离子电池自1991年商业化以来，经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能系统仍不尽人意。锂硫电池由于其理论比容量为1675mAh·g^‐1，是传统锂离子电池的10倍，并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害等优势引起了人们的广泛关注。然而，锂硫电池在充放电过程中容易产生穿梭效应以及充放电过程中的体积膨胀和金属锂的腐蚀等问题使得锂硫电池活性物质利用率低、库伦效率低、循环性能差等问题，成为了锂硫电池在商业应用过程中的阻碍。

为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须设计和开发新型的电极结构，开发简便且成本低廉的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺点与不足，而提供一种硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料的制备方法，本发明对多硫化物具有吸附和催化转化作用的硅基分子筛用于锂硫电池正极材料中，并制成浆料涂覆在传统硫锂电池铝箔材料上，改善了硫锂电池正极的导电性和多硫化物的穿梭效应等问题，展现出了优异的循环稳定性，具有大规模生产的优势。

本发明采用如下技术方案：

(1)碳管载硫材料的制备：

将碳管与单质硫混合并研磨均匀后，加入到CS₂中搅拌混合，然后待CS₂挥发完全后，剩余物质于120‐160℃中保温8‐12h，之后冷却至室温，即得碳管载硫材料；

(2)硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料的制备：

将步骤(1)所得碳管载硫材料与导电添加剂、粘结剂混合，然后加入N‐甲基吡咯烷酮，硅基分子筛搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000‐10000cps，得到浆料，将所得浆料烘干，即得硅基分子筛/碳管载硫复合正极材料。

进一步设置是步骤(1)中所述的碳管与单质硫的质量比为1:1‐2，所述的碳管与单质硫的总质量与CS₂的质量比为1:10‐12。

进一步设置是所述的室温为10‐30℃。

进一步设置是步骤(2)中所述的导电添加剂为炭黑，粘结剂为聚偏氟乙烯，所述的硅基分子筛为钛硅分子筛TS‐1或多孔硅KIT‐6分子筛。

进一步设置是所述的碳管载硫材料、导电添加剂、粘结剂、硅基分子筛的质量比为(300‐400):(15‐50):(15‐50)：(15‐50)。