一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法

一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂硫电池，尤其是一种含烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法。
【背景技术】
[0002]与市场上主流的锂离子电池相比，锂硫电池拥有前者2~5倍的理论能量密度，目前，锂硫电池的主流制备方法与目前市场化的锂离子电池接近，即硫电极通过在集流体上涂布的方法获得；受该方法的局限，硫电极中单位面积的硫负载量往往保持在lOmg/cm2以下，而更厚的硫电极需要更高比例的粘合剂，将导致硫活性材料在电极中的比例下降而且导致较差的倍率性能，这主要是由于电极材料与集流体的卷绕应力差异造成的，因此该方法制备的锂硫电池中需要应用更多的隔膜材料和集流体材料，以及更加繁复的工艺。这会带来成本的提高，能量密度下降等问题。

【发明内容】

[0003]为解决上述问题，本发明提供了一种基于烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其硫电极制备方法。
[0004]根据本发明的一实施方式，一种锂硫电池，包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液，其特征在于:所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极。
[0005]根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于:所述硫电极中的活性材料为通过溶液法或其他方法制备的碳硫复合物。
[0006]根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于:所述超厚硫电极烧结前驱体为碳硫复合物与导电剂与粘合剂按照一定比例的混合物。
[0007]根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于:所述前驱体用的粘合剂为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纤维素钠中的一种。
[0008]根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于:所述前驱体用的导电剂为乙炔黑或氧化炭黑。
[0009]根据本发明的一实施方式，所述的前驱体，其特征在于:所述的粘合剂在前驱体中的质量比例为2%~10%，导电剂在前驱体中的比例为0%~15%。
[0010]根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于:所述的烧结工艺制备的超厚硫电极烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度。
[0011]根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池硫电极，其特征在于:硫电极的厚度区间为2毫米到10毫米。
[0012]根据本发明的一实施方式，所述的锂硫电池，其特征在于:所述硫电极在烧结工艺后经过一定浓度的粘合剂溶液浸泡处理；所述的粘合剂溶液为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠的N-甲基吡咯烷酮溶液。
[0013]根据本发明的一实施方式，所述的硫电极，其特征在于:所述的硫电极通过模具大小控制电极尺寸。
[0014]锂硫电池超厚硫电极的制备方法，其特征在于由以下几个步骤完成:
(I)将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟到360分钟制备前驱体。
[0015](2)前驱体按照一定质量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa-l.0Mpa0
[0016](3)压实后的前驱体放入烘箱中烧结，烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度，烧结时间为5分钟到360分钟。
[0017](4)烧结后的烧结体浸入质量分数为2%~15%的粘结剂溶液中，时间为5分钟到360分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度到100摄氏度下保持2小时到24小时。
[0018]根据本发明的另一实施方式，一种制备锂硫电池的方法，其特征在于:包括如下步骤:制备超厚硫电极的步骤，制备超厚锂金属电极的步骤，以及制备扣式电池或软包装电池的步骤。
[0019]根据本发明的另一实施方式，所述锂硫电池的制备方法，其特征在于:所述超厚金属锂电极为多片锂箔在集流体上压制而成。
[0020]根据本发明的另一实施方式，所述的锂硫电池制备方法，其特征在于:还包括所述硫电极与集流体进行粘结的步骤。
[0021]本发明提供了基于烧结法制备的超厚硫电极的锂硫电池及其硫电极制备方法，通过以烧结法制备的超厚硫电极代替传统的涂布方法制备的电极，提高单位面积硫的负载量，从而解决了硫电极厚度不够导致锂硫电池能量密度较低及制备工艺繁琐的问题；另外，本发明中可以选择不同的碳硫复合物与粘合剂和导电剂相配合，还可以通过改变粘合剂在前驱体中的混合比例，不同程度地影响硫电极的机械强度和相应锂硫电池的性能。
[0022]本发明制备的基于超厚硫电极的锂硫电池具有生产成本低，能量密度高的特点；本发明制备的超厚硫电极的锂硫电池性能测试，以本领域常规的方法，即组装成扣式半电池或全电池进行充放电测试考察。
【附图说明】
[0023]图1为实施例1中制备的超厚硫电极。
[0024]图2为实施例2，3中制备的超厚硫电极的锂硫电池的容量-电压曲线。
[0025]图3为实施例2中制备的超厚硫电极的锂硫电池的循环次数-容量曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面，结合【具体实施方式】对本发明一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法做详细说明。
[0027]在本发明实施方式中的碳硫复合材料为核壳结构，较之其它结构，核壳结构便于烧结过程中提高硫电极的机械强度，但本申请的碳硫复合材料不限于核壳结构，还可以为介孔碳、碳纳米管或其它可包覆硫的碳客体材料。
[0028]本发明的实施方式中，所述的碳硫复合材料为CBOS，其制备方法为溶液法。
[0029]实施例1 将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨360分钟制备前驱体；其中，粘合剂为聚偏氟乙稀，在前驱体中的质量分数为2%;导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的质量分数为5%。
[0030]前驱体按照80毫克每平方厘米模具面积加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa-l.0Mpa。
[0031]压实后的前驱体放入烘箱中于170摄氏度烧结10分钟。
[0032]烧结后的前驱体浸入质量分数2%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为350分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在100摄氏度下保持2小时。
[0033]图1为该实施例制备的超厚硫电极的整体形貌图，厚度5毫米，整体具有一定的机械强度，同时又能很好的渗透电解液。
[0034]实施例2
将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟制备前驱体；其中，粘合剂为聚偏氟乙稀，在前驱体中的比例为2% ;导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的比例为5%。
[0035]前驱体按照实施例1的量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa-l.0Mpa0
[0036]压实后的前驱体放入烘箱中于100摄氏度烧结350分钟。
[0037]烧结后的前驱体浸入浓度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为10分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度下保持24小时。
[0038]实施例3
将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照一定比例混合并球磨30分钟制备前驱体。其中，粘合剂为聚偏氟乙稀，在前驱体中的比例为8% ;导电剂为氧化炭黑，在前驱体中的比例为5%。
[0039]前驱体按照实施例1的量加入到模具中并压实，压力为0.1Mpa-l.0Mpa0
[0040]压实后的前驱体放入烘箱中于100摄氏度烧结350分钟。
[0041]烧结后的前驱体浸入浓度15%的聚偏氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中，时间为10分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度下保持24小时。
[0042]实施例4
取实施例1制备的超厚硫电极，组装成扣式电池进行充放电测试。
[0043]扣式电池的测试曲线如图2，3所示。
[0044]根据图2可以看出，超厚硫电极可以进行完整的充放电过程，同时实施例2，3考差了粘合剂含量对超厚硫电极制备的锂硫电池的影响，在质量相同或相近的情况下，粘合剂的含量越少，超厚硫电极制备的锂硫电池的电压平台越明显，容量也略高，主要原因是，粘合剂越多，超厚硫电极越致密，活性硫不容易从硫电极中吸出，容量相对较少，不容易形成稳定的电压平台。
[0045]根据图3，实施例2中制备的超厚硫电极的锂硫电池的循环次数-容量曲线可以看出，随着充放电的不断进行，活性硫不断被激活，容量略有升高，10个循环以后，容量与初始容量18.6mAh十分接近，超厚硫电极的稳定性较好。
【主权项】
1.一种锂硫电池，包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液，其特征在于:所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极，硫电极的厚度区间为2毫米到10毫米。2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述硫电极中的活性材料为通过溶液法或其他方法制备的碳硫复合物。3.根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于所述通过烧结工艺制备的超厚硫电极的方法如下: (1)将碳硫复合物，粘结剂，导电剂按照比例混合并球磨制备前驱体； (2)将前驱体按照加入到模具中并压实； (3)压实后的前驱体放入烘箱中烧结； (4)烧结后的烧结体浸入到粘结剂溶液中，浸泡后的烧结体放入烘箱中烘干。4.根据权利要求3所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述的步骤(I)中，粘合剂在前驱体中的质量比例为2%~10%，导电剂在前驱体中的比例为0%~15% ;球磨30分钟到360分钟。5.根据权利要求4所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述粘合剂为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸以及羧甲基纤维素钠中的一种；所述导电剂为乙炔黑或氧化炭黑。6.根据权利要求3所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述的步骤(2)中，压实的压力为 0.1Mpa-1.0Mpa。7.根据权利要求3所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述的步骤(3)中，烧结温度区间为90摄氏度到170摄氏度，烧结时间为5分钟到360分钟。8.根据权利要求3所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述的步骤(4)中，烧结后的烧结体浸入质量分数为2°/『15%的粘结剂溶液中，时间为5分钟到360分钟；浸泡后的烧结体放入烘箱中，在50摄氏度到100摄氏度下保持2小时到24小时。9.根据权利要求8所述的一种锂硫电池，其特征在于:所述的粘合剂溶液为聚偏氟乙烯，聚丙烯酸或羧甲基纤维素钠的N-甲基吡咯烷酮溶液。
【专利摘要】本发明公开了一种锂硫电池，特指一种基于超厚硫电极的锂硫电池及其制备方法。其包括硫电极、锂金属电极以及设置在所述的硫电极和锂金属电极之间的隔膜和电解液。其中，所述的硫电极为通过烧结工艺制备的超厚硫电极。本发明还公开了所述超厚硫电极的制备方法，通过以烧结法制备的超厚硫电极代替传统的涂布方法制备的电极，提高单位面积硫的负载量，从而解决了硫电极厚度不够导致锂硫电池能量密度较低及制备工艺繁琐的问题。以本发明的制备方法制得的超厚硫电极机械性能较好，以此超厚硫电极为正极制备的锂硫电池具有生产成本低，能量密度高的特点。
【IPC分类】H01M10/052, H01M4/139, H01M4/36, H01M4/13, H01M4/62
【公开号】CN104882586
【申请号】CN201510290090
【发明人】刘振, 丁建宁, 袁宁一, 仲玉娇, 郑祥
【申请人】常州大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月1日