[发明专利]一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法。利用经过提纯和高温热处理的无烟煤尾料与单质硫充分混合均匀后在155‑200 ^oC密闭条件下加热12 h后冷却、研磨、干燥，得到无烟煤/硫复合锂硫电池正极材料。电解液溶质为1 M的（三氟甲基磺酰）亚胺锂（LiTFSI），以体积比为1:1的1，3二氧戊烷和乙二醇二甲醚为电解液溶剂，同时加入质量比为1%的LiNO₃。隔膜为聚丙烯微孔隔膜（Celgard 2400）。以金属锂片作为对电极和参比电极，组装成为2025型扣式电池并对其进行电化学性能测试。本发明利用廉价的无烟媒作为硫载体，工艺简单，容易实施，对设备要求低，安全性可靠，虽然电化学性能有待进一步的优化，但是对于推进锂硫电池的商业化应用具有一定意义。

技术领域

本发明涉及一种高能量密度正极材料的制备方法，特别涉及一种无烟煤基锂硫电池正极材料的制备方法，本发明属于锂硫电池材料技术领域。

技术背景

当前，锂离子电池被广泛应用于各种便携式电子设备如笔记本电脑、数码相机以及大型交通运输工具如电动汽车中。但随着人们对能源需求的不断提高，传统以石墨、插层化合物为正负极材料的锂离子电池已不能满足当今社会的发展需求。锂硫电池由于其高能量密度（2600 Wh kg^-1）和高理论比容量（1672 mAh g^-1），最近受到广泛关注。同时硫还具有价格低廉、环境友好等优点，因此锂硫电池被认为是最具有发展前景的储能设备之一。然而锂硫电池存在的主要问题是：硫的导电性差、充放电过程中产生的中间产物多硫化物导致的穿梭效应以及硫在充放电过程中体积变化等，这些因素极大限制了锂硫电池的商业化应用。本专利发明了一种以廉价无烟煤为载硫框架的无烟煤/硫复合锂硫电池正极材料。

发明内容

基于以上研究背景，本发明提供一种简便高性能的锂硫电池正极材料制备方法，所述正极材料为无烟煤/硫复合材料。具体制备方法如下：取适量热解之后的无烟煤尾料和硫粉于玛瑙研钵中，充分研磨（1~3 h）均匀得到混合粉末，将粉末移至密闭容器中，在150~200 ^oC的鼓风烘箱加热10~15 h，冷却后再次研磨得到无烟煤/硫复合材料。所述的无烟煤和硫粉的质量比为3~6:4~7。无烟煤/硫复合材料中硫质量百分比为40-70 wt%。

采用所述制备得到的无烟煤基锂硫电池正极材料组装电池的方法，其步骤是将无烟煤基锂硫电池为正极材料，三氟甲基磺酰）亚胺锂（LiTFSI）为电解液溶质，以体积比为1:0.8-1.2的1，3二氧戊烷和乙二醇二甲醚为电解液溶剂，同时加入质量分数为0.5-1%的LiNO₃（相对于溶剂质量分数），直接组装成为2025型扣式电池。该组装电池中还包括隔膜，所述的隔膜为Celgard 2400聚丙烯微孔膜。进行组装后充放电电压平台区间为1.7~2.7 Vvs Li/Li⁺。

本发明所涉及的无烟煤/硫复合材料正极材料的制备方法、材料及性能具有以下几方面特点：

（1）成本低廉，无污染；

（2）合成工艺简单，易于操作，重复性好。

附图说明

图1 实施例1中无烟煤/硫复合材料的表征附图，其中，（a）SEM图、（b）XRD图和（c）循环性能图和（d）首次充放电性能图。

图2 实施例1中无烟煤/硫复合材料的C、S元素分布图，其中，（a）为SEM图、（b）为C元素分布图和（c）为S元素分布图。

图3 实施例2中无烟煤/硫复合材料的XRD图。

图4 实施例2中无烟煤/硫复合材料电极的表征附图，其中，（a）首次充放电性能图和（b）循环性能图。

图5实施例3中无烟煤/硫复合材料的表征附图，其中，(a) SEM图，(b) XRD图，(c)循环性能图和 (b) 首次充放电性能图。