一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池，屬于電化學電池領域。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著科技的不斷進步，各種電子產品的快速發展，要求所用的化學電源具有質量輕、體積小、容量大等特點。基于輕元素、多電子“轉換反應”的活性電極材料是構建高能量密度二次電池體系的基礎。以金屬鋰作為負極，單質硫或硫基復合材料作為正極構筑的鋰硫電池體系在發生完全轉化反應時可實現2個電子的轉移，其理論能量密度高達2600瓦時/千克。并且硫在自然界中含量豐富、價格低廉、對環境安全友好，因此硫正極成為最具有發展前景的鋰電池的正極材料之一。雖然硫正極具有諸多優點，但是鋰硫電池目前也面臨著一些嚴重的問題，由于在充放電反應過程中會生成一系列反應中間體一一多硫離子，這些多硫離子包括溶解度高的多硫離子和溶解度低的Li2S2和硫化鋰，溶解度高的多硫離子會在電池充電時候發生嚴重的穿梭效應，不溶的產物則會沉積在正負極外表面，導致活性硫不斷損失，充放電效率不高。為了解決這些問題研宄者做了一些系列的工作來抑制多硫離子的迀移擴散，提高鋰硫電池的循環性能和充放電效率。
[0003]鋰-硫電池正極材料的研宄熱點主要集中為三大類，第一類是以各種形貌導電碳材料為骨架制備的碳/硫復合材料，如采用碳納米管、石墨烯、介孔碳存儲硫，將硫限制在碳材料的孔道中或者利用碳材料高的比表面積限制多硫化鋰的溶解，以利于抑制穿梭效應和提高電池性能；第二類是采用導電聚合物包覆單質硫或利用導電聚合物網絡骨架吸附單質硫，如采用聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等作為硫的存儲體，不僅能限制多硫化鋰的溶解，同時導電聚合物本身的活性也能提高電池的性能；第三類是通過加入各種氧化物或者用氧化物來包覆硫制備出氧化物/硫復合材料，能夠明顯吸附多硫化鋰，進而降低穿梭效應對電池性能的影響。上述措施都是從電池電極結構內部著手，雖能在一定程度上降低穿梭效應對電池性能的影響，但未能從根本上解決多硫化鋰溶解穿梭的問題，鋰硫電池的性能仍然有待提高。并且，所使用材料制備復雜、成本較高，不便于大規模生產。
[0004]現有專利(公開號CN103515646A)，在正極片與隔膜之間設置自制的導電吸附層，制備導電吸附層的工藝較為復雜，成本較高；制備過程中應用的導電聚合物(如聚苯胺，聚吡咯等)對身體有害，會污染環境。而且，目前日常生活中普遍要求電池具有快速充電的能力，比如手機電池。但該專利中只有鋰硫電池在0.2C下的循環性能數據，并沒有提到該電池在高倍率大電流下的性能表現，無法滿足現在電池的要求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有技術制備工藝復雜，且無法滿足現在電池的要求的問題，提供一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池。
[0006]為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下。
[0007]一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池，包括含硫活性材料正極、隔膜、電解液和金屬鋰負極，在含硫活性材料正極與隔膜間設置一層碳纖維布作為阻擋層。
[0008]所述碳纖維布阻擋層的厚度為0.34?0.38mm。
[0009]所述碳纖維布阻擋層的密度為160?180g/cm2。
[0010]安裝前需對碳纖維布清洗、干燥，包括如下操作:
[0011]步驟一、將碳纖維布阻擋層分別用5%?20%的稀硝酸，去離子水和乙醇超聲洗滌10?20分鐘。
[0012]步驟二、然后在50°C真空干燥箱中干燥6?12小時。
[0013]步驟三、最后用等離子清洗機對碳纖維布進行清洗，清洗過程中工作電壓設為700V，氧氣流速設為500mL/min。
[0014]所述的含硫活性材料包括單質硫，硫/碳復合物，硫/導電聚合物復合物，硫/無極氧化物復合物等。
[0015]所述的含硫活性材料正極涂覆在鋁箔或者碳纖維布上。
[0016]有益效果
[0017]1、本發明的一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池，通過在傳統單質硫正極和隔膜之間添加一層碳纖維布阻擋層，由于碳纖維布的多孔結構具有阻擋吸附作用，從而能夠有效地阻止多硫化物在電解液中的穿梭和多硫化物對鋰負極的腐蝕，能夠使放電產物更均勻地沉積在電極表面，提高鋰硫電池的電化學性能。因此，利用簡單的方法來吸收捕獲多硫化鋰，以提高鋰硫電池的循環穩定性和倍率性能(5C倍率下充放電1000圈后，放電容量仍然保持在 420mAh.g-1)。
[0018]2、本發明的一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池，碳纖維布作為阻擋層可直接購得，只需要進行簡單的前期處理即可投入使用，無需復雜的制備過程。而且，電池的制備工藝簡單，安全可靠，控制精確，成本低廉，因而具有良好的應用前景。并且工藝制備簡單，適合工業化生產，具有顯著性應用價值。
[0019]3、本發明的一種碳纖維布作為阻擋層的鋰硫電池，阻擋層的存在并不會顯著影響電池內部的電子和離子的迀移，反而有利于提高活性物質的利用率，同時能夠在電池隔膜破裂的時候可阻止正極和負極的直接接觸，起到防護作用，提高電池安全性。
【附圖說明】
[0020]圖1為實施例1得到的鋰硫電池結構示意圖；
[0021]圖2為(a)碳纖維布阻擋層放電前；(b)碳纖維布阻擋層放電后；(C)加碳纖維布阻擋層放電后鋰片；(d)無碳纖維布阻擋層放電后鋰片的掃描電鏡圖(SEM);
[0022]圖3為加碳纖維布阻擋層的不同倍率下的充放電曲線圖；
[0023]圖4為加與不加碳纖維布阻擋層的倍率性能對比圖；
[0024]圖5為加碳纖維布阻擋層的鋰硫電池在5C倍率下循環性能曲線(最初10圈:0.5C下充放電5圈，2C下充放電5圈)。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
[0026]對比例I
[0027]正極極片制備:
[0028]將單質硫粉作為正極活性物質，Super-P為導電劑，PVDF的NMP溶液為粘結劑(以質量比8:1:1混合)。將干燥后的正極材料在研缽中磨10?15min ;研磨均勾后，按照比例加入PVDF溶液(質量分數5% )，在磁力攪拌器上攪拌6h ;將得到的膏狀漿液均勻涂布在集流體碳纖維布上，然后在60°C的真空干燥箱中烘干20小時備用。
[0029]電池組裝:
[0030]將涂覆了樣品的碳纖維布制成直徑為12mm的圓形極片；并在6MPa?1MPa的壓力下保持30?180s，即得單質硫正極；以金屬鋰為負極，Celgard膜作為隔膜，選取lmol/L 二(三氟甲基磺酸酰)亞胺鋰為電解質，0.4mol/L硝酸鋰作添加劑，溶劑體積比D0L(1，3-二氧戊環):DME (乙二醇二甲醚)=1: 1，組裝成CR2032型扣式電池。電解液的添加量為硫的50倍(質量比)。整個電池的組裝均在手套箱中完成。
[0031]電化學性能測試: