[发明专利]锰系化合物/碳管载硫复合材料的制备方法及其在锂硫电池中的应用

说明书

本发明提供了锰系化合物/碳管载硫复合材料的制备方法及其在锂硫电池中的应用，其过程为：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，以及锰系化合物搅拌并超声分散均匀，将所得浆料均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至烘箱内烘干，即得锰系化合物与碳管载硫复合正极材料；本发明提供的制备方法，操作简单，条件温和，易于大规模生产；制得的锰系化合物与碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池中，可以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锰系化合物/碳管复合正极材料的制备方法。

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1675 mAh·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锂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

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种锰系化合物/碳管载硫复合材料的制备方法及其在锂硫电池中的应用。本发明的锰系化合物/碳管载硫复合材料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。

为实现上述目的，本发明的第一个发明目的是提供一种包括以下步骤：

（1）碳管载硫复合材料的制备：将碳管与单质硫按质量比1：1~2混合，研磨均匀后以料液质量比1：10~15加入CS₂中搅拌，然后置于室温下至CS₂挥发完全后，剩余物质于120~160℃烘箱中保温8~12h，之后冷却至室温，即得碳管载硫复合材料；

（2）锰系化合物/碳管载硫复合材料的制备：将步骤（1）所得碳管载硫复合材料与导电添加剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯一起混合，然后加入溶剂N-甲基吡咯烷酮，以及锰系化合物搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000~10000cps，得到复合材料浆料，将所得复合材料浆料烘干，即得锰系化合物/碳管载硫复合材料， 所述的锰系化合物为对锂硫电池中的氧化还原反应具有催化转化能力，所述的碳管载硫复合材料、炭黑、聚偏氟乙烯和锰系化合物的质量比为（300-400）：（15-50）：（15-50）：（3-5）。

进一步设置是将复合材料浆料用刮刀以150~400μm厚度均匀涂覆在的集流体铝箔上，然后将集流体铝箔转移至40~60℃烘箱内烘干，即得片状形状的锰系化合物与碳管负硫复合正极材料。

进一步设置是所述的所述集流体铝箔的厚度为30um，在使用前用N-甲基吡咯烷酮和酒精清洗，以除去表面氧化层和杂质，自然风干后备用。