一種硫電極及其制備和應(yīng)用，所述硫電極包括硫/碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，其中硫是電極活性物質(zhì)。電極中硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量為10～95％；硫/碳復(fù)合材料中硫與多孔碳材料的質(zhì)量比為1∶0.05～19；硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的電導(dǎo)率大于或等于0.1S/cm，比表面積大于或等于500m2/g，孔體積大于或等于0.3cm3/g，孔結(jié)構(gòu)包括微孔和介孔。多孔碳材料采用酸改性的方法進(jìn)行處理，其中酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～50％。采用該發(fā)明專利技術(shù)方法制備的硫電極，具有高比能量、循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，且電極材料價廉易得，制備方法簡單易行的優(yōu)點(diǎn)。所述硫電極可作為正極應(yīng)用于二次電池中。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于儲能領(lǐng)域，涉及二次電池，更具體地說是一種高比能鋰-硫二次電池用硫電極及其制備和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
在已商品化的二次電池中，鋰離子二次電池具有最高的比能量、比功率以及良好的循環(huán)壽命，已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、備用電源、不間斷電源等領(lǐng)域，同時也是電動車和儲能電池的首選。隨著科技的發(fā)展，電動車和先進(jìn)便攜式電子通信設(shè)備均對所使用的二次電池的比能量提出了更高的要求。例如，純電驅(qū)動的電動車所需動力電池的比能量至少應(yīng)大于300Wh/kg,4G、5G移動通訊所需電池的比能量至少應(yīng)大于400Wh/kg。而已商品化的鋰離子 二次電池的比能量一般為120 150Wh/kg，尚難以滿足4G、5G移動通訊和電動車的需求。鋰離子電池的比能量主要受限于電池的正極材料的比容量和放電電壓平臺。目前，商品化鋰離子電池所使用的正極材料包括LiCo02(130 140mAh/g)、LiNiO2 (170 180mAh/g)、LiMn2O4(110 130mAh/g)、LiFePO4(130 140mAh/g)和三元材料(160 180mAh/g)等。晶體化合物的嵌脫鋰容量受限于晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高這類材料的比容量已經(jīng)比較困難。因此，研究和開發(fā)高比容量、長循環(huán)壽命、低成本、環(huán)境友好的新型電化學(xué)儲能正極材料已成為發(fā)展高比能二次電池的關(guān)鍵。單質(zhì)硫的理論比容量為1675mAh/g,與金屬鋰組成Li-S 二次電池的理論比能量可達(dá)2500Wh/kg，實際可實現(xiàn)的比能量達(dá)500 600Wh/kg。此外，單質(zhì)硫還具有價格低廉、環(huán)境友好、儲量豐富等優(yōu)點(diǎn)，成為下一代高比能二次電池體系正極材料的首選。但是，單質(zhì)硫是離子和電子絕緣體，不能直接作為電極材料，并且，電化學(xué)還原過程生成的中間體多硫化物易溶于有機(jī)電解液中，造成電池容量衰減，以及引起鋰負(fù)極失效等。這些問題均可導(dǎo)致電極活性物質(zhì)利用率低和電池的循環(huán)壽命差，阻礙Li-S 二次電池的實用化。采用硫/碳復(fù)合材料可以有效改善單質(zhì)硫作為電池正極材料的性能。根據(jù)國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)的規(guī)定，介孔材料(mesoporous materials)是指一類孔徑在2_50nm的多孔固體材料，孔徑小于2nm的稱為微孔材料(microporous materials),而孔徑大于50nm則被稱為大孔材料(macroporous materials)。碳材料具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)和良好的電子導(dǎo)電性，利用碳材料制備硫復(fù)合正極材料，可以提高電極的電導(dǎo)率，同時，合適的孔道結(jié)構(gòu)還有利于改善硫正極的循環(huán)穩(wěn)定性。Wang等用機(jī)械球磨和熱處理法制備了硫/活性炭復(fù)合材料。以0. IC放電，復(fù)合材料的初始放電容量為800mAh/g(S)，循環(huán)25 周后放電容量為 440mAh/g(S)。(J. Wang, S. Y. Chewa, Z. ff. Zhao, S. Ashraf D. Wexlerc,J. Chen, S. H. Ng, S. L. Chou and H. K. Liua, Carbon, 46 (2008) 229)。Zhang 等將單質(zhì)硫和乙塊黑混合，加熱制備硫/乙塊黑復(fù)合材料。循環(huán)50周后,材料放電各量穩(wěn)定在500mAh/g(S) ο (B. Zhang,C. Lai,Z. Zhou and X. P. Gao,Electrochimica Acta. 54(2009)3708) Yuan等利用多壁碳納米管研制硫包覆的多壁碳納米管復(fù)合材料，材料在60周循環(huán)后保持有670mAh/g(S)的可逆容量。(L. X. Yuan,H. P. Yuan,X. P. Qiu, L. Q. Chen and ff. T. Zhu J. PowerSources. 189(2009) 1141)。Liang等利用軟模板法制備了具有二維六方介觀結(jié)構(gòu)的介孔碳材料，制備了硫/碳復(fù)合材料，復(fù)合材料首次放電容量達(dá)1584mAh/g(S)，30次循環(huán)后，容量為 805mAh/g (S)。(C. D. Liang, N. J. Dudney and J. Y. Howe, Chem. Meter. 21 (2009)4724)。雖然，已有多種碳材料被應(yīng)用于研制硫/碳復(fù)合材料，并且一定程度上提高了材料的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性，但仍然不能完全滿足Li-S電池的要求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種硫電極及其制備和應(yīng)用，開發(fā)出一種具有高比能量、優(yōu)良循環(huán)穩(wěn)定性能的正極材料以及含有該材料的電極及含有該電極的儲能器件。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是—種硫電極,其特征在于硫電極由硫/碳復(fù)合材料和粘結(jié)劑，或硫/碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成；電極中，硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量為10 95 %，導(dǎo)電劑的質(zhì)量含 量為O 60%，粘結(jié)劑的質(zhì)量含量為5 30% ;硫/碳復(fù)合材料中硫和多孔碳材料的質(zhì)量比例為I : O. 05 19;多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)包括微孔和介孔；電極活性物質(zhì)為硫；所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的微孔和介孔的孔體積的比例為I : O. 05 8.所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料可以是商品碳黑Black Pearls、或KetjenBlack EC-600JD、或自制的碳材料、或經(jīng)改性處理的Black Pearls、或經(jīng)改性處理的KetjenBlack EC-600JD、或經(jīng)改性處理的自制的碳材料中的一種或幾種的混合物；所述導(dǎo)電劑可以是碳纖維、碳納米管、Super P、乙炔黑、Ketjen Black碳黑、Vulcan XC-72> Black Pearl碳黑中的一種或多種；所述粘結(jié)劑可以是聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯亞胺(PEI)、丁苯橡膠(SBR)、羧甲基纖維素(CMC)、環(huán)糊精、明膠和丙烯酸酯粘結(jié)劑中的一種或多種。硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的電導(dǎo)率大于或等于O. is/cm,比表面積大于或等于500m2/g,孔體積大于或等于O. 3cm3/g。所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料同時滿足電導(dǎo)率優(yōu)選大于或等于O. 5S/cm,比表面積優(yōu)選大于或等于800m2/g，孔體積大于或等于O. 5cm3/g ;微孔和介孔的孔體積比例優(yōu)選為I : O. 2 6.所述電極活性物質(zhì)硫為單質(zhì)硫；所述硫/碳復(fù)合材料中硫與多孔碳材料的質(zhì)量比優(yōu)選為I : O. 15 4。所述硫電極由硫/碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成；電極中粘結(jié)劑的質(zhì)量含量優(yōu)選為5 15%,導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量優(yōu)選為5 55% ；電極中硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量優(yōu)選為30 90%。所述經(jīng)改性處理的碳材料為利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 50%的酸的水溶液進(jìn)行改性處理的碳材料；具體處理步驟為(I).將多孔碳材料加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 50%酸的水溶液中，得到懸浮液；(2).將步驟⑴所得到的混合溶液在溫度25 200°C恒溫攪拌I 24h，得到酸處理后的懸浮液；(3).將步驟(2)所得到的碳與酸的混合溶液，過濾分離，用去離子水洗至中性，得到處理后的碳粉末；(4).將步驟(3)所得到的碳粉末，真空50 120°C干燥5 24h，得到酸改性碳材料I ;(5).將步驟(4)所得到的碳粉末，在氬氣氣氛保護(hù)下，450 170本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種硫電極，其特征在于：硫電極由硫/碳復(fù)合材料和粘結(jié)劑，或硫/碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成；電極中，硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量為10～95％，導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量為0～60％，粘結(jié)劑的質(zhì)量含量為5～30％；硫/碳復(fù)合材料中硫和多孔碳材料的質(zhì)量比例為1∶0.05～19；多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)包括微孔和介孔；電極活性物質(zhì)為硫；所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的微孔和介孔的孔體積的比例為1∶0.05～8。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種硫電極,其特征在于硫電極由硫/碳復(fù)合材料和粘結(jié)劑，或硫/碳復(fù)合材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成；電極中，硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量為10 95%，導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量為O 60%，粘結(jié)劑的質(zhì)量含量為5 30% ;硫/碳復(fù)合材料中硫和多孔碳材料的質(zhì)量比例為I : O. 05 19;多孔碳材料的孔結(jié)構(gòu)包括微孔和介孔；電極活性物質(zhì)為硫；所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的微孔和介孔的孔體積的比例為I : O. 05 8。2.按照權(quán)利要求I所述的硫電極，其特征在于所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料可以是商品碳黑Black Pearls、或KetjenBlack EC-600JD、或自制的碳材料、或經(jīng)改性處理的Black Pearls、或經(jīng)改性處理的KetjenBlackEC-600JD、或經(jīng)改性處理的自制碳材料中的一種或幾種的混合物； 所述導(dǎo)電劑可以是碳纖維、碳納米管、Super P、乙炔黑、Ketjen Black碳黑、VulcanXC-72、Black Pearl碳黑中的一種或多種；所述粘結(jié)劑可以是聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯亞胺 (PEI)、丁苯橡膠(SBR)、羧甲基纖維素(CMC)、環(huán)糊精、明膠和丙烯酸酯粘結(jié)劑中的一種或多種； 硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料的電導(dǎo)率大于或等于O. lS/cm,比表面積大于或等于500m2/g,孔體積大于或等于O. 3cm3/g。3.按照權(quán)利要求2所述的硫電極，其特征在于所述硫/碳復(fù)合材料中的多孔碳材料同時滿足電導(dǎo)率優(yōu)選大于或等于O. 5S/cm,比表面積優(yōu)選大于或等于800m2/g，孔體積大于或等于O. 5cm3/g ;微孔和介孔的孔體積比例優(yōu)選為I : O. 2 6。4.按照權(quán)利要求I所述的硫電極，其特征在于所述電極活性物質(zhì)硫為單質(zhì)硫；所述硫/碳復(fù)合材料中硫與多孔碳材料的質(zhì)量比優(yōu)選為I : O. 15 4。5.按照權(quán)利要求I或2所述的硫電極，其特征在于電極中粘結(jié)劑的質(zhì)量含量優(yōu)選為5 15%,導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量優(yōu)選為5 55% ；電極中硫/碳復(fù)合材料的質(zhì)量含量優(yōu)選為30 90%。6.按照權(quán)利要求2所述的硫電極，其特征在于經(jīng)改性處理的碳材料是指，將多孔碳材料利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 50%的酸的水溶液進(jìn)行改性處理； 具體處理步驟為 (1).將多孔碳材料加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I 50%酸的水溶液中，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳劍，莊鑫，廖文明，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：
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