一種基于超厚硫電極的鋰硫電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰硫電池，尤其是一種含燒結法制備的超厚硫電極的鋰硫電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]與市場上主流的鋰離子電池相比，鋰硫電池擁有前者2~5倍的理論能量密度，目前，鋰硫電池的主流制備方法與目前市場化的鋰離子電池接近，即硫電極通過在集流體上涂布的方法獲得；受該方法的局限，硫電極中單位面積的硫負載量往往保持在lOmg/cm2以下，而更厚的硫電極需要更高比例的粘合劑，將導致硫活性材料在電極中的比例下降而且導致較差的倍率性能，這主要是由于電極材料與集流體的卷繞應力差異造成的，因此該方法制備的鋰硫電池中需要應用更多的隔膜材料和集流體材料，以及更加繁復的工藝。這會帶來成本的提高，能量密度下降等問題。
【發明內容】
[0003]為解決上述問題，本發明提供了一種基于燒結法制備的超厚硫電極的鋰硫電池及其硫電極制備方法。
[0004]根據本發明的一實施方式，一種鋰硫電池，包括硫電極、鋰金屬電極以及設置在所述硫電極和鋰金屬電極之間的隔膜和電解液，其特征在于:所述的硫電極為通過燒結工藝制備的超厚硫電極。
[0005]根據本發明的一實施方式，所述的鋰硫電池，其特征在于:所述硫電極中的活性材料為通過溶液法或其他方法制備的碳硫復合物。
[0006]根據本發明的一實施方式，所述的鋰硫電池，其特征在于:所述超厚硫電極燒結前驅體為碳硫復合物與導電劑與粘合劑按照一定比例的混合物。
[0007]根據本發明的一實施方式，所述的前驅體，其特征在于:所述前驅體用的粘合劑為聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纖維素鈉中的一種。
[0008]根據本發明的一實施方式，所述的前驅體，其特征在于:所述前驅體用的導電劑為乙炔黑或氧化炭黑。
[0009]根據本發明的一實施方式，所述的前驅體，其特征在于:所述的粘合劑在前驅體中的質量比例為2%~10%，導電劑在前驅體中的比例為0%~15%。
[0010]根據本發明的一實施方式，所述的鋰硫電池，其特征在于:所述的燒結工藝制備的超厚硫電極燒結溫度區間為90攝氏度到170攝氏度。
[0011]根據本發明的一實施方式，所述的鋰硫電池硫電極，其特征在于:硫電極的厚度區間為2毫米到10毫米。
[0012]根據本發明的一實施方式，所述的鋰硫電池，其特征在于:所述硫電極在燒結工藝后經過一定濃度的粘合劑溶液浸泡處理；所述的粘合劑溶液為聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纖維素鈉的N-甲基吡咯烷酮溶液。
[0013]根據本發明的一實施方式，所述的硫電極，其特征在于:所述的硫電極通過模具大小控制電極尺寸。
[0014]鋰硫電池超厚硫電極的制備方法，其特征在于由以下幾個步驟完成:
(I)將碳硫復合物，粘結劑，導電劑按照一定比例混合并球磨30分鐘到360分鐘制備前驅體。
[0015](2)前驅體按照一定質量加入到模具中并壓實，壓力為0.1Mpa-l.0Mpa0
[0016](3)壓實后的前驅體放入烘箱中燒結，燒結溫度區間為90攝氏度到170攝氏度，燒結時間為5分鐘到360分鐘。
[0017](4)燒結后的燒結體浸入質量分數為2%~15%的粘結劑溶液中，時間為5分鐘到360分鐘；浸泡后的燒結體放入烘箱中，在50攝氏度到100攝氏度下保持2小時到24小時。
[0018]根據本發明的另一實施方式，一種制備鋰硫電池的方法，其特征在于:包括如下步驟:制備超厚硫電極的步驟，制備超厚鋰金屬電極的步驟，以及制備扣式電池或軟包裝電池的步驟。
[0019]根據本發明的另一實施方式，所述鋰硫電池的制備方法，其特征在于:所述超厚金屬鋰電極為多片鋰箔在集流體上壓制而成。
[0020]根據本發明的另一實施方式，所述的鋰硫電池制備方法，其特征在于:還包括所述硫電極與集流體進行粘結的步驟。
[0021]本發明提供了基于燒結法制備的超厚硫電極的鋰硫電池及其硫電極制備方法，通過以燒結法制備的超厚硫電極代替傳統的涂布方法制備的電極，提高單位面積硫的負載量，從而解決了硫電極厚度不夠導致鋰硫電池能量密度較低及制備工藝繁瑣的問題；另外，本發明中可以選擇不同的碳硫復合物與粘合劑和導電劑相配合，還可以通過改變粘合劑在前驅體中的混合比例，不同程度地影響硫電極的機械強度和相應鋰硫電池的性能。
[0022]本發明制備的基于超厚硫電極的鋰硫電池具有生產成本低，能量密度高的特點；本發明制備的超厚硫電極的鋰硫電池性能測試，以本領域常規的方法，即組裝成扣式半電池或全電池進行充放電測試考察。
【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1中制備的超厚硫電極。
[0024]圖2為實施例2，3中制備的超厚硫電極的鋰硫電池的容量-電壓曲線。
[0025]圖3為實施例2中制備的超厚硫電極的鋰硫電池的循環次數-容量曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面，結合【具體實施方式】對本發明一種基于超厚硫電極的鋰硫電池及其制備方法做詳細說明。
[0027]在本發明實施方式中的碳硫復合材料為核殼結構，較之其它結構，核殼結構便于燒結過程中提高硫電極的機械強度，但本申請的碳硫復合材料不限于核殼結構，還可以為介孔碳、碳納米管或其它可包覆硫的碳客體材料。
[0028]本發明的實施方式中，所述的碳硫復合材料為CBOS，其制備方法為溶液法。
[0029]實施例1 將碳硫復合物，粘結劑，導電劑按照一定比例混合并球磨360分鐘制備前驅體；其中，粘合劑為聚偏氟乙稀，在前驅體中的質量分數為2%;導電劑為氧化炭黑，在前驅體中的質量分數為5%。
[0030]前驅體按照80毫克每平方厘米模具面積加入到模具中并壓實，壓力為0.1Mpa-l.0Mpa。
[0031]壓實后的前驅體放入烘箱中于170攝氏度燒結10分鐘。
[0032]燒結后的前驅體浸入質量分數2%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，時間為350分鐘；浸泡后的燒結體放入烘箱中，在100攝氏度下保持2小時。
[0033]圖1為該實施例制備的超厚硫電極的整體形貌圖，厚度5毫米，整體具有一定的機械強度，同時又能很好的滲透電解液。
[0034]實施例2
將碳硫復合物，粘結劑，導電劑按照一定比例混合并球磨30分鐘制備前驅體；其中，粘合劑為聚偏氟乙稀，在前驅體中的比例為2% ;導電劑為氧化炭黑，在前驅體中的比例為5%。
[0035]前驅體按照實施例1的量加入到模具中并壓實，壓力為0.1Mpa-l.0Mpa0
[0036]壓實后的前驅體放入烘箱中于100攝氏度燒結350分鐘。
[0037]燒結后的前驅體浸入濃度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，時間為10分鐘；浸泡后的燒結體放入烘箱中，在50攝氏度下保持24小時。
[0038]實施例3
將碳硫復合物，粘結劑，導電劑按照一定比例混合并球磨30分鐘制備前驅體。其中，粘合劑為聚偏氟乙稀，在前驅體中的比例為8% ;導電劑為氧化炭黑，在前驅體中的比例為5%。
[0039]前驅體按照實施例1的量加入到模具中并壓實，壓力為0.1Mpa-l.0Mpa0
[0040]壓實后的前驅體放入烘箱中于100攝氏度燒結350分鐘。
[0041]燒結后的前驅體浸入濃度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，時間為10分鐘；浸泡后的燒結體放入烘箱中，在50攝氏度下保持24小時。
[0042]實施例4
取實施例1制備的超厚硫電極，組裝成扣式電池進行充放電測試。
[0043]扣式電池的測試曲線如圖2，3所示。
[0044]根據圖2可以看出，超厚硫電極可以進行完整的充放電過程，同時實施例2，3考差了粘合劑含量對超厚硫電極制備的鋰硫電池的影響，在質量相同或相近的情況下，粘合劑的含量越少，超厚硫電極制備的鋰硫電池的電壓平臺越明顯，容量也略高，主要原因是，粘合劑越多，超厚硫電極越致密，活性硫不容易從硫電極中吸出，容量相對較少，不容易形成穩定的電壓平臺。
[0045]根據圖3，實施例2中制備的超厚硫電極的鋰硫電池的循環次數-容量曲線可以看出，隨著充放電的不斷進行，活性硫不斷被激活，容量略有升高，10個循環以后，容量與初始容量18.6mAh十分接近，超厚硫電極的穩定性較好。
【主權項】
1.一種鋰硫電池，包括硫電極、鋰金屬電極以及設置在所述硫電極和鋰金屬電極之間的隔膜和電解液，其特征在于:所述的硫電極為通過燒結工藝制備的超厚硫電極，硫電極的厚度區間為2毫米到10毫米。2.根據權利要求1所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述硫電極中的活性材料為通過溶液法或其他方法制備的碳硫復合物。3.根據權利要求1所述的一種鋰硫電池，其特征在于所述通過燒結工藝制備的超厚硫電極的方法如下: (1)將碳硫復合物，粘結劑，導電劑按照比例混合并球磨制備前驅體； (2)將前驅體按照加入到模具中并壓實； (3)壓實后的前驅體放入烘箱中燒結； (4)燒結后的燒結體浸入到粘結劑溶液中，浸泡后的燒結體放入烘箱中烘干。4.根據權利要求3所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述的步驟(I)中，粘合劑在前驅體中的質量比例為2%~10%，導電劑在前驅體中的比例為0%~15% ;球磨30分鐘到360分鐘。5.根據權利要求4所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述粘合劑為聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纖維素鈉中的一種；所述導電劑為乙炔黑或氧化炭黑。6.根據權利要求3所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述的步驟(2)中，壓實的壓力為 0.1Mpa-1.0Mpa。7.根據權利要求3所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述的步驟(3)中，燒結溫度區間為90攝氏度到170攝氏度，燒結時間為5分鐘到360分鐘。8.根據權利要求3所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述的步驟(4)中，燒結后的燒結體浸入質量分數為2°/『15%的粘結劑溶液中，時間為5分鐘到360分鐘；浸泡后的燒結體放入烘箱中，在50攝氏度到100攝氏度下保持2小時到24小時。9.根據權利要求8所述的一種鋰硫電池，其特征在于:所述的粘合劑溶液為聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纖維素鈉的N-甲基吡咯烷酮溶液。
【專利摘要】本發明公開了一種鋰硫電池，特指一種基于超厚硫電極的鋰硫電池及其制備方法。其包括硫電極、鋰金屬電極以及設置在所述的硫電極和鋰金屬電極之間的隔膜和電解液。其中，所述的硫電極為通過燒結工藝制備的超厚硫電極。本發明還公開了所述超厚硫電極的制備方法，通過以燒結法制備的超厚硫電極代替傳統的涂布方法制備的電極，提高單位面積硫的負載量，從而解決了硫電極厚度不夠導致鋰硫電池能量密度較低及制備工藝繁瑣的問題。以本發明的制備方法制得的超厚硫電極機械性能較好，以此超厚硫電極為正極制備的鋰硫電池具有生產成本低，能量密度高的特點。
【IPC分類】H01M10/052, H01M4/139, H01M4/36, H01M4/13, H01M4/62
【公開號】CN104882586
【申請號】CN201510290090
【發明人】劉振, 丁建寧, 袁寧一, 仲玉嬌, 鄭祥
【申請人】常州大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月1日