一种锂硫电池正极材料的制备方法与流程

本发明属于电化学领域，具体涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术：

随着便携式电子设备、电动汽车和大规模储能电网的广泛使用，迫切需要一种能量密度更大、安全性更高、质量更轻的储能系统。锂硫电池由于其高能量密度(2600wh/kg，是传统锂离子电池的2～3倍)，高比容量(1675mah/g)而受到广泛关注。然而，锂硫电池的商业化仍面临许多挑战。硫电极中充电产物(s8)和放电产物(li2s和li2s2)因其绝缘性需要大量的导电添加剂来提高离子电导率和电子电导率，这增加了开发高负载量硫以及高含量硫的难度。而且锂多硫化物(li2sx,3≤x≤8)的中间产物在充放电过程中容易溶解在电解液中，并在循环过程中向负极一侧迁移，造成库仑效率低，电池容量衰减快。此外，硫电极在充放电过程中，体积膨胀大(≥180％)，使得电极结构不稳定，同样让其产业化面临很大问题。

目前，由于碳材料，包括微/介孔碳、分级多孔碳、空心碳球、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等，具有高导电性、可调孔结构和高稳定性，被广泛用于解决电子电导率，锂硫电池穿梭效应，体积膨胀等问题。然而，这些电极制备需要使用粘结剂(通常为～10wt％)和导电添加剂(通常为～10-20wt％)来确保复合材料的机械稳定性和导电性。但是，在材料中添加绝缘粘结剂会降低电极材料整体能量密度，导致循环过程中电子传递不良。因此，为得到高性能锂电池，消除粘结剂将是一个巨大的进步。另一方面，碳/硫复合材料的制备多采用熔融扩散或水热法。然而，熔融扩散和水热的策略不仅需要长时间的持续加热(≥12h，≥155℃)，造成巨大的能源浪费，还会产生有害气体，造成环境污染。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种锂硫电池正极材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

清洗集流体：将所述集流体裁减成圆片，通过多步清洗处理：依次为丙酮清洗、去离子水清洗、稀盐酸清洗、去离子水清洗、无水乙醇清洗、去离子水超声清洗，之后烘干称重；

制备锂硫正极材料：将清洗后的所述集流体，放于等离子体装置的反应腔体内，抽真空，在饱和蒸汽压的作用下，通入二硫化碳，在等离子体反应气体的作用下电离出包含碳和硫的基团，所述基团直接沉积在所述集流体上。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述清洗集流体的步骤，还包括：将所述圆片经压片机压片。

进一步的，所述圆片的直径为12-15mm。

进一步的，所述制备锂硫正极材料的步骤，还包括：开启加热装置对等离子体装置样品台上的所述集流体进行加热处理。

进一步的，清洗集流体的步骤中，所述每步清洗时间为15～30min，和/或，所述稀盐酸的浓度为0.5～1.5mol/l，和/或，烘干温度为45～60℃，和/或，烘干时间为8-12h。

进一步的，制备锂硫正极材料的步骤中，所述沉积的时间为15～60min。

进一步的，清洗集流体的步骤中，压片压力为0.1～230kg/cm²。

进一步的，所述加热处理的温度为25-350℃，所述加热处理的时间为1h～2h。

进一步的，所述集流体为泡沫镍、泡沫铜、泡沫碳、铜箔或铝箔。

进一步的，所述等离子体反应气体为氮气、氩气、或者氮气与氩气混合气体。

进一步的，等离子体反应气体氮气与氩气的流量比为1:1。

进一步的，抽真空后，反应腔室的气压为10～50pa。

进一步的，等离子体反应气体为氮气，氩气，或者氮气与氩气混合气体。

进一步的，通入等离子体反应气体后，反应腔室的气压为50～100pa。

进一步的，所述等离子体装置为电容耦合等离子体装置或电感耦合等离子体装置，等离子体装置的功率为80～400w，等离子体装置的工作频率为400khz～13.56mhz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用一步等离子体法，电离二硫化碳，电离后直接沉积在集流体基底上，完成电极制备，方法简单。

2.本发明无需添加导电剂，粘结剂，节约了制造成本，同时也避免了在材料中加入绝缘粘结剂导致的整体能量密度降低，以及循环过程中电子传递不良问题。

3.传统载硫方法一般使用高温渗硫和水热法，需要长时间的持续加热(≥155℃，≥12h)，而本发明载硫可以在室温条件下进行，时间短(≤1h)，不但节约了时间成本，节约了能源消耗，而且环保，适合大面积生产，并利于工业化。

4.本发明采用高密度等离子装置，在电容或者电感耦合的作用下，二硫化碳更加高效地电离成碳和硫的各种基团，同时选用不同的反应气体，等离子体离子化反应气体，能够实现生长的过程更加高效掺杂，达到了制备效率高，成本低，容量高的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1-2所使用的电感耦合等离子体装置图；

图2为根据本发明实施例1制备的一种锂硫电池正极材料raman图；

图3为根据本发明实施例1制备的一种锂硫电池正极材料sem图；

图4为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池在100ma/g电流密度下的循环曲线；

图5为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池在0.1mv/s扫描速率下，在1.5～3v电压区间的cv曲线图；

图6为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池在0.01hz～100khz频率区间的阻抗曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗集流体：将泡沫镍集流体通过冲片机冲成直径为15mm的圆片，采用压片机对所述圆片进行压片，压片的压力为180kg/cm²，然后依次通过丙酮清洗、去离子水清洗、1mol/l稀盐酸清洗、去离子水清洗、无水乙醇清洗、去离子水超声清洗，每一步的清洗时间为20min，之后在45℃真空烘箱中，烘8h称重；

(2)制备锂硫正极材料：将清洗后的泡沫镍，放于图1所示的电感耦合等离子体装置的反应腔体内，等离子体装置的工作频率为13.56mhz，抽真空，待反应腔室的气压达到10pa后，氩气与氮气按照流量比为1:1通入反应腔体，待此时反应腔室的气压为50pa后，二硫化碳在饱和蒸汽压的作用下，通入反应腔体内，然后打开等离子体电源，设置等离子体装置的输入功率为200w，二硫化碳在等离子体的作用下，电离成各种碳和硫的基团，直接沉积在泡沫镍集流体上，沉积时间为30min。

实施例2

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗集流体：将泡沫铜集流体通过冲片机冲成直径为15mm的圆片，采用压片机对所述圆片进行压片，压片的压力为180kg/cm²，然后依次通过丙酮清洗、去离子水清洗、1mol/l稀盐酸清洗、去离子水清洗、无水乙醇清洗、去离子水超声清洗，每一步的清洗时间为20min，之后在45℃真空烘箱中，烘8h称重；

(2)制备锂硫正极材料：将清洗后的泡沫铜，放于图1所示的电感耦合等离子体装置的反应腔体内，等离子体装置的工作频率为13.56mhz，抽真空，待反应腔室的气压达到10pa后，通入氩气反应气体，待此时反应腔室的气压为50pa后，二硫化碳在饱和蒸汽压的作用下，通入反应腔体内，打开等离子体电源，设置等离子体装置的输入功率为200w，二硫化碳在等离子体的作用下，电离成各种碳和硫的基团，直接沉积在泡沫铜上，沉积时间为30min。

实施例3

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗集流体：将铝箔集流体通过冲片机冲成直径为15mm的圆片，然后依次通过丙酮清洗、去离子水清洗、1mol/l稀盐酸清洗、去离子水清洗、无水乙醇清洗、去离子水超声清洗，每一步的清洗时间为20min，之后在45℃真空烘箱中，烘8h称重；

(2)制备锂硫正极材料：将清洗后的铝箔，放于电容耦合等离子体装置的反应腔体内，等离子体装置的工作频率为13.56mhz，抽真空，待反应腔室的气压达到10pa后，打开加热开关，设置样品台的加热温度为120℃，达到设置的加热温度后持续加热1h，在反应腔体内通入氩气，待此时反应腔室的气压为50pa后，二硫化碳在饱和蒸汽压的作用，通入反应腔体，打开等离子体电源，设置等离子体装置的输入功率为300w，二硫化碳在等离子体的作用下，电离成各种碳和硫的基团，直接沉积在铝箔上，沉积时间为30min。

图2为根据本发明实施例1制备的一种锂硫电池正极材料raman图，从图2可观察到，在472cm^-1和～1470cm^-1处有两个明显的峰，分别归属于s8(环八硫)的特征峰以及碳的特征峰，其中在～1470cm^-1处的碳特征峰表示碳基体的结构缺陷和紊乱，这很有可能是氮的掺杂引起的。由拉曼图验证了根据实验例1制备的锂硫电池正极材料中硫和碳元素的存在。

图3为根据本发明实施例1制备的一种锂硫电池正极材料sem图，从图3可以看出，氮气与氩气混合等离子体得到的锂硫电池正极材料，其中的碳与硫的基团两者紧密的接触，杂糅在一起。

图4-6为锂硫电池正极材料组装电池后的电化学测试图，其中，活性物质质量为碳/硫复合材料总质量，电池壳采用cr2032型，碳/硫复合材料为正极，锂片为对电极，电池在充氩的手套箱内(1g1200/750ts，h2o<0.01ppm，o2<0.5ppm)组装而成，电解液为1m的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(litfsi)溶于1,3-二氧戊环(dol)/乙二醇二甲醚(dme)＝1:1v％，并添加0.1m的lino3。

图4为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池在100ma/g电流密度下的循环曲线，其中黑色实心球为循环与比容量关系曲线图，空心球为循环与库伦效率关系曲线图，泡沫镍表面的碳硫复合材料直接作为电极使用。采用恒电流充放电(1.5～3vvs.li+/li)研究电池的充放电。所有复合电极的比容量都是根据复合材料整体质量计算所得。电池测试系统(land,ct2001a)在室温条件下测试。由图4可知，氮气与氩气混合等离子体所制备样品，具有良好的充放电稳定性。

图5为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池在0.1mv/s扫描速率下，1.5～3v电压区间的cv曲线图，可以看出使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池，其氧化峰在2.44ev，还原峰在2.04ev和2.36ev附近，这与锂硫电池氧化还原反应一致。

图6为使用本发明实施例1制备的锂硫电池正极材料组装的锂硫电池，运用chi660e电化学工作站，在频率范围为0.01hz到100khz所得的电化学阻抗谱(eis)，可以看出其中的氮气和氩气混合等离子体具有较小的电荷转移阻抗。

综上所述，本发明运用等离子技术，在反应气体的作用下，直接电离二硫化碳制备碳硫复合物，制备方法简单，效率高，而且无需粘结剂和导电剂，大大节约了成本。另外也得到了优异的电化学性能，特别是在氮气与氩气混合工作气体下，在100ma/g电流密度下充放电，初始放电容量达到923mah/g，初始库仑效率接近百分之百，经过100个循环，容量依然可以保持65％，达到了制备效率高，成本低，容量高的效果，为加快锂硫电池产业化提供了新的思路和努力的方向。

在本发明的描述中，需要理解的是，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。