[发明专利]一种球形锂硫电池正极材料的制备方法及产品

说明书

本发明公开了一种球形锂硫电池正极材料的制备方法，该方法通过将硫前驱体、碳源、黏结剂和极性吸附添加剂分散到水中，搅拌均匀后喷雾干燥制得具有单分散性的球形正极材料。本发明还公开了由该方法制备的球形锂硫电池正极材料，该材料由硫、碳载体、高分子添加剂和极性吸附添加剂组成，且该材料在扫描电子显微镜下呈现硫均匀分布于内部的由碳纳米管相互交错纠结而成的球形颗粒或硫均匀分布于内部的由石墨烯片相互交错纠结而成的单分散性球形颗粒。本发明制备方法简单，可快速制备锂硫电池正极材料，且制得的球形锂硫电池正极材料具有较强吸附能力和导电性，具有单分散性，能有效负载硫，形成的导电网络切实可用。

技术领域

本发明涉及一种球形锂硫电池正极材料的制备方法和用该方法制备的球形锂硫电池正极材料。

背景技术

锂硫电池理论能量密度高达2600Wh kg^-1，且正极活性物质单质硫价格低廉，无毒无害，基于上述优点，锂硫电池吸引了很多研究人员的关注，有望代替现阶段常规锂离子电池成为未来高能量密度、长寿命型二次电池。

锂硫电池技术发展面临许多挑战，其中一个主要问题是由于单质硫的绝缘性不利于电子的传输，使得活性物质硫在充放电过程中利用率很低。另一个主要问题称为“穿梭效应”，正极硫放电时生成Li₂S_n(n＝4～8)等高阶多硫化物会溶解到锂硫电池的有机电解液中，并容易扩散至负极侧，在负极锂表面发生自放电反应，自放电的产物再迁移回正极又重新被氧化，如此循环往复，致使电池的库仑效率降低。同时“穿梭效应”会导致正极活性物质流失，并造成结构破坏，活性物质经多次循环后与导电剂脱离，最终导致循环稳定性较差。

目前，众多研究都集中在将硫与导电碳材料通过杂原子掺杂改性后的碳材料复合，形成“碳包硫”的复合结构以改善锂硫电池性能。如Zhao Wei等人(Nano letters,2014,14(8):4821-4827)制备的氮掺杂石墨烯-硫复合材料、S@NG和Wang Jian等人(Journal ofpower source,2016,321:193-200)制备的N,S共掺杂石墨烯均表现出对多硫化物具有良好的化学吸附能力，对锂硫电池的电化学性能有一定程度的改善。但是目前常用的正极材料制备方法均分为碳材料制备过程和碳硫复合材料制备过程两步。在碳硫复合材料制备中常用的热熔浸硫法、高温硫蒸汽载硫法等又都不可避免地存在材料结块的问题，而结块的本质是碳与硫形成了“硫包碳”型结构，这不仅使碳导电网络无法发挥作用，同时也给后期的电极制备带来诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种球形锂硫电池正极材料的制备方法，不仅方法简单，可快速制备锂硫电池正极材料，而且制得的球形锂硫电池正极材料具有较强吸附能力和导电性，具有单分散性，同时还要能有效负载硫，形成的导电网络切实可用。

本发明的技术方案如下：

一种球形锂硫电池正极材料的制备方法，制备方法如下：将硫前驱体、碳源、黏结剂和极性吸附添加剂分散到水中，搅拌均匀后喷雾干燥，制得具有单分散性的球形锂硫电池正极材料。

优选地，所述硫前驱体为多硫化铵溶液或硫代硫酸铵溶液中的一种。通过使用可溶性含硫盐配制的溶液做为硫源，可通过调节原料配比精确控制载硫量。

优选地，所述碳源为碳纳米管或石墨烯的分散液中的至少一种，分散溶剂为水、N－甲基吡咯烷酮、N,N－二甲基甲酰胺中的一种。本发明以导电良好的碳纳米管或石墨烯做为碳源，构建出的以碳纳米管或石墨烯为骨架的球形结构具有优良的导电网络。

优选地，所述黏结剂为水溶性高分子，溶质为聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚氧化乙烯、水性聚氨酯、聚苯乙烯磺酸钠、聚3，4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐溶液、酚醛树酯、聚二烯丙基二甲基氯化铵、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、壳聚糖、聚乳酸、黄原胶或瓜尔豆胶中的至少一种。以水溶性高分子做为成球黏结剂，提高球形颗粒的稳定性，制得的球形锂硫电池正极材料在电极制备过程中球形颗粒不会破碎或粉化。