一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術屬于電極材料領域，具體涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用。該鋰硫電池正極材料為硫酸鋇包覆硫的復合材料，通過硫酸鋇對硫正極材料的包覆，有效提高了正極材料的離子導電率；制備工藝中，使用軟模板法制備鋰硫正極材料，不需要高溫與高壓，在乳化過程中通過調節乳液的組成可以控制顆粒大小，形成均勻分散的硫酸鋇包覆硫結構，有效提高了鋰硫電池電化學性能。

Lithium sulfur battery positive electrode material, preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of electrode materials, in particular to a lithium sulfur battery positive electrode material, a preparation method and an application thereof. The lithium sulfur battery cathode material is a composite material of barium sulfate coated by barium sulfate sulfur, sulfur cathode materials for coating, effectively improve the ionic conductivity of cathode material; preparation process, preparation of lithium sulfur cathode material by soft template method, does not need high temperature and high pressure in the dairy process by regulating the composition the emulsion can control the particle size, the formation of barium sulfate dispersed sulfur coated structure, effectively improve the electrochemical performance of lithium sulfur batteries.

【技術實現步驟摘要】
一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用
本專利技術屬于電極材料領域，具體涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用。
技術介紹
鋰硫電池憑借其高能量密度、無污染、成本低等優勢，成為未來動力電池的最佳選擇之一。早在1962年，Herbet等人首次提出利用元素硫作為新的正極材料這一概念。硫具有理論比容量高、儲存量豐富、成本低等優點。但是硫存在以下缺點：離子導電性能較差，不利于電池的高倍率性能；在充放電過程中，體積變化較大，容易造成電池損壞；充放電過程中形成易溶于電解液的多硫化物；易升華。
技術實現思路
本專利技術基于以上技術問題，提供了一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用，該鋰硫電池正極材料為硫酸鋇包覆硫的復合材料，其制備方法優選為：(1)將油相、表面活性劑、助表面活性劑充分混合乳化，其中，油相為環己烷、苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、氯苯、二氯苯、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙酸乙酯、氯酚中的一種或幾種的混合，表面活性劑為曲拉通X-100、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基醇醚羧酸鹽、烷基多苷、醇醚磷酸單酯、聚氧乙烯脂肪醇醚、辛基苯基聚氧乙烯醚、乙二醇丁醚醋酸酯、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸鈉、α-烯基磺酸鈉、仲烷基磺酸鈉、脂肪醇聚氧乙烯、羥基合成醇聚氧乙烯醚、壬基酚聚氧乙烯醚、十二烷基二甲基氧化胺、十六烷基三甲基氯化銨、二硬脂基羥乙基甲基硫酸甲脂銨、硬脂酸甘油酯中的一種或幾種的混合，助表面活性劑為乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、正戊醇、異戊醇、1-己醇、2-己醇、1-辛醇、2-辛醇、雜醇油、對壬基酚中的一種或幾種的混合；(2)向步驟(1)的體系中加入硫源、硫酸或硫酸鹽、鋇鹽，反應形成穩定的水包油結構，硫源為單質硫、硫代硫酸鹽、堿金屬或堿土金屬的硫化物及多硫化物中的一種或幾種的混合，鋇鹽為硝酸鋇、氯化鋇、醋酸鋇、硫酸鋇、碳酸鋇中的一種或幾種的混合；(3)對步驟(2)反應后的產物過濾、洗滌、干燥，最終得到硫酸鋇包覆硫的復合材料。本專利技術還提供了一種上述鋰硫電池正極材料的應用，即將該正極材料用于鋰離子電池中。本專利技術的有益效果在于：本專利技術通過硫酸鋇對硫正極材料的包覆，有效提高了正極材料的離子導電率。制備工藝中，使用軟模板法制備鋰硫正極材料，不需要高溫與高壓，減少了硫在高溫下容易升華的問題，使得硫包覆量增大，提高容量性能；在乳化過程中通過調節乳液的組成可以控制顆粒大小，從而控制了產品的粒徑、尺寸以及分散性，形成均勻分散的硫酸鋇包覆硫結構，有效提高了鋰硫電池電化學性能。附圖說明圖1為實施例1制得的電池在0.1C倍率下的充放電曲線圖，圖中，中間的兩條曲線為第1次的充放電曲線，上下兩端的兩條曲線為第100次的充放電曲線。圖2為對比實施例1制得的電池在0.1C倍率下的充放電曲線圖。具體實施方式以下各實施例的操作都是在常溫(25℃)下進行。實施例11、硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取64.68ml環己烷、10.92ml曲拉通X-100、8.4ml的1-己醇放入磁力攪拌器上充分混合呈透明乳液；(2)向步驟(1)中所得的透明乳液中加入2.9ml均勻的單質硫超聲水分散液(單質硫與分散液的重量比為6：10)并充分攪拌5分鐘，再加入2.8ml溶質質量分數為35％的硫酸溶液充分攪拌5分鐘，再加入10.3ml溶質質量分數為20％的氯化鋇溶液充分攪拌5分鐘，過濾、干燥、洗滌、烘干；2、正極材料的制備稱取0.08克上述得到的硫酸鋇包覆硫的復合材料、0.01克乙炔黑、0.01克聚偏氟乙烯置于研缽中研磨均勻，再加入1毫升NMP，繼續研磨均勻；將研磨所得的混合物涂抹到鋁箔上，50℃烘箱中鼓風干燥，55℃真空干燥12h，裁剪成尺寸為5mm×5mm的極片，作為正極；3、采用鋰片作為負極材料；4、采用PP-PE復合微孔膜作為電池隔膜電池的組裝：將隔膜覆蓋在鋰片上面，加入電解液，再覆蓋上正極材料，組裝成鋰硫電池。對本實施例中所制備的鋰硫電池進行電化學性能測試，電壓窗口為1.0V～3.0V，充放電條件為0.1C，循環100次后的庫倫效率為93％，說明硫利用率比較高。附圖1為所制備的電池在0.1C倍率下的充放電曲線圖，反應出離子導電率較高。實施例2硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取65.6ml異辛烷、9.5g烷基醇醚羧酸鈉、4ml正丙醇放入磁力攪拌器上充分混合呈透明乳液；(2)向步驟(1)中所得的透明乳液中加入4.6ml溶質質量分數為60％的均勻分散的硫代硫酸鈉水溶液并充分攪拌5分鐘，再加入3.66ml溶質質量分數為20％的硫酸鐵溶液充分攪拌5分鐘，再加入11.67ml溶質質量分數為20％的硝酸鋇溶液充分攪拌5分鐘，過濾、干燥、洗滌、烘干；其余步驟同實施例1。對本實施例中所制備的鋰硫電池進行電化學性能測試，電壓窗口為1.0V～3.0V，充放電條件為0.2C，150次循環后的庫倫效率為86％。實施例3硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取62.32ml全氯乙烯、9.07g仲烷基磺酸鈉、3.8ml的1-辛醇放入磁力攪拌器上充分混合呈透明乳液；(2)向步驟(1)中所得的透明乳液中加入2.9ml溶質質量分數為60％的均勻分散的硫化鈉溶液并充分攪拌5分鐘，再加入2.8ml均勻的硫酸鈣超聲水分散液(硫酸鈣與分散液的重量比為35：100)充分攪拌5分鐘，再加入10.3ml溶質質量分數為20％的醋酸鋇溶液充分攪拌5分鐘，過濾、干燥、洗滌、烘干；其余步驟同實施例1。對本實施例中所制備的鋰硫電池進行電化學性能測試，電壓窗口為1.0V～3.0V，充放電條件為0.2C，200次循環后的庫倫效率為85％。實施例4硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取61.6ml辛烷、10.4ml硬脂酸甘油酯、0.8ml異丁醇放入磁力攪拌器上充分混合呈透明乳液；(2)向步驟(1)中所得的透明乳液中加入2.9ml均勻的硫化鈣超聲水分散液(硫化鈣與分散液的重量比為60：100)并充分攪拌5分鐘，再加入3.9ml溶質質量分數為30％的硫酸鋁溶液充分攪拌5分鐘，再滴加10ml溶質質量分數為20％的鹽酸溶液充分攪拌5分鐘，再加入12.4ml均勻的碳酸鋇超聲水分散液(碳酸鋇與分散液的重量比為25：100)充分攪拌5分鐘，過濾、干燥、洗滌、烘干；其余步驟同實施例1。對本實施例中所制備的鋰硫電池進行電化學性能測試，電壓窗口為1.0V～3.0V，充放電條件為0.2C，200次循環后的庫倫效率為85％。實施例5硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取55.44ml苯、4.11g十六烷基三甲基氯化銨、7.2ml正丁醇放入磁力攪拌器上充分混合呈透明乳液；(2)向步驟(1)中所得的透明乳液中加入9ml溶質質量分數為50％的均勻分散的二硫化鈉溶液并充分攪拌5分鐘，再加入14.5ml溶質質量分數為15％的硫酸鎂溶液充分攪拌5分鐘，再滴加8.5ml溶質質量分數為20％的鹽酸溶液充分攪拌5分鐘，再加入0.25g碳酸鋇充分攪拌5分鐘，過濾、干燥、洗滌、烘干；其余步驟同實施例1。對本實施例中所制備的鋰硫電池進行電化學性能測試，電壓窗口為1.0V～3.0V，充放電條件為0.2C，150次循環后的庫倫效率為87％。實施例6硫酸鋇包覆硫的復合材料的制備(1)量取59.04ml甲苯、9.36ml硬脂酸甘油酯、3.6ml對壬基酚放入磁力攪拌器本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰硫電池正極材料，其特征在于：所述鋰硫電池正極材料為硫酸鋇包覆硫的復合材料。

【技術特征摘要】
1.一種鋰硫電池正極材料，其特征在于：所述鋰硫電池正極材料為硫酸鋇包覆硫的復合材料。2.一種如權利要求1所述的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述的制備方法為，(1)將油相、表面活性劑、助表面活性劑充分混合乳化；(2)向步驟(1)的體系中加入硫源、硫酸或硫酸鹽、鋇鹽，反應形成穩定的水包油結構；(3)對步驟(2)反應后的產物過濾、洗滌、干燥，最終得到硫酸鋇包覆硫的復合材料。3.如權利要求1所述的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述的油相為環己烷、苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、氯苯、二氯苯、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、乙酸乙酯、氯酚中的一種或幾種的混合。4.如權利要求1所述的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(1)中所述的表面活性劑為曲拉通X-100、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基醇醚羧酸鹽、烷基多苷、醇醚磷酸單酯、聚氧乙烯脂肪醇醚、辛基苯基聚氧乙烯醚、乙二醇丁醚醋酸酯、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張漢平，朱甜，周佩，王亮，
申請(專利權)人：常州大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32