一種碘-硫/碳復合材料及其制備方法與應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學電源領(lǐng)域，涉及一種碘-硫/碳復合材料及其制備方法與應用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前商業(yè)化的鋰離子電池正極主要以LiCo02、LiFePO4, LiCov3Niv3Mn1Z3O2為主，其比容量在140 mAh/g附近；正極材料主要為石墨，比容量在372 mAh/g左右，所得到的鋰離子電池比能量往往難以超越200 Wh/kg。而鋰硫電池以單質(zhì)硫為正極活性物質(zhì)，比容量達到1675 mAh/g，負極直接以金屬鋰為活性物質(zhì)，故鋰硫電池理論能量密度達到2600 Wh/kg，而目前已有能量密度達到400 Wh/kg試制樣品電池的報道。由于其較高的比能量，因此鋰硫電池是一種極具潛力的下一代能量存儲體系。但是鋰硫電池目前的問題在于:其一，單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物為電子絕緣與離子絕緣；其二，由于單質(zhì)硫與放電產(chǎn)物硫化鋰密度不同，同時放電中間產(chǎn)物溶于電解液。因此在充放電過程中，會出現(xiàn)活性物質(zhì)的溶解與析出和體積膨脹，從而容易造成活性物質(zhì)在電極中分布不均勻而造成電化學性能衰減。
[0003]為解決鋰硫電池的導電性問題，研宄者們進行了大量的實驗，設(shè)計了眾多的方案:
1)使用聚苯胺、聚吡咯等有機導電高分子材料包覆正極活性物質(zhì)，從而改善電極的導電性。
2)使用大比表面的多孔碳材料以增強硫與碳的接觸位點而改善硫電極的導電狀況。但是以上方案均是以改善硫電極的電子電導為目的，而硫電極同樣鋰離子絕緣，因此提高硫電極的電子電導率之后，改善硫電極的鋰離子傳導狀況也十分重要?，F(xiàn)有研宄中，Wu Feixiang等(Wu Feixiang,Lee Jung Tae，Nitta Naoki, et al.Lithium 1dide as a PromisingElectrolyte Additive for Lithium - Sulfur Batteries: Mechanisms of PerformanceEnhancement[J].Advanced Materials, 2015，27(1): 101-108.)使用碳-硫化鈕作為鈕硫電池正極材料，將碘化鋰作為電解液的添加劑應用于鋰硫電池中，可以有效的降低首次充電過程的氧化電位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對目前鋰硫電池中單質(zhì)硫及其放電產(chǎn)物硫化鋰離子絕緣的缺陷，本發(fā)明提供了一種電化學綜合性能良好的碘-硫/碳復合材料及其制備方法與應用，該方法制備的復合材料具有較好的導電性、電化學穩(wěn)定性，利于提高鋰硫電池的倍率性能與循環(huán)穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種碘-硫/碳復合材料，由單質(zhì)硫、單質(zhì)碘和導電炭黑組成，其質(zhì)量比為25~85:
0.05-40:5~70，可以表示為I2-S/C，其中:I2代表碘元素，S代表硫元素，C代表導電炭黑。
[0006]上述碘-硫/碳復合材料的制備方法，具體步驟如下:
將單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與導電炭黑混合均勻，然后加熱到120~158°C，恒溫處理3~48小時，冷卻之后得到鋰硫電池正極材料。
[0007]上述碘-硫/碳復合材料可用于鋰硫二次電池的正極材料。
[0008]本發(fā)明中，導電炭黑可以是科琴黑、乙炔黑、Super P、CMK-3、活性炭、碳納米管、石墨烯、碳纖維中的一種或多種。
[0009]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明使用單質(zhì)碘添加到硫電極，使其在首次放電之后生成固體電解質(zhì)一一碘化鋰，從而改善硫電極的鋰離子傳導狀況而改善鋰硫電池的倍率性能。
[0010]2、本發(fā)明具有制備方法簡單、可批量化生產(chǎn)、電化學綜合性能好、倍率性能優(yōu)異、活性物質(zhì)在電極中分散性好、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011]圖1為實施例1所得I2-S/C復合材料X射線衍射花樣；
圖2為實施例1所得鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性曲線；
圖3為實施例2所得鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性曲線；
圖4為實施例3所得鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性曲線。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0013]實施例1:
(I)將質(zhì)量比65:10:25的單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與科琴黑混合均勻，將上述材料加熱到155°C保持12小時，得到I2_S/C復合材料，其XRD衍射花樣如圖1。
[0014](2)將得到的I2_S/C復合材料與Super P，PVDF按質(zhì)量比8:1:1分散在NMP溶劑中，形成均勻的漿料之后涂覆于鋁箔之上，在50°C下烘干得到正極，使用金屬鋰片為負極在氬氣氣氛的保護下組裝為2025型扣式電池，電解液為I mol/L的LiTFSI溶解于DOL:DME(v:v=l:l;D0L:l，3—二氧戊環(huán)；DME:乙二醇二甲醚)。電化學測試均在室溫下進行。充放電測試電位區(qū)間為1.7-2.6 V，電流密度為I C，得到的循環(huán)穩(wěn)定性曲線如圖2所示。
[0015]實施例2:
(I)將質(zhì)量比60:10:30的單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與Super P混合均勾，將上述材料加熱到125°C保持24小時，得到I2_S/C復合材料。
[0016](2)將得到的I2_S/C復合材料組裝扣式電池，采用同實施例1同樣的組裝電池的方法與充放電測試方式。循環(huán)穩(wěn)定性曲線如圖3所示。
[0017]實施例3:
(I)將質(zhì)量比60:5:35的單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與CMK-3混合均勻，將上述材料加熱到130°C保持24小時，得到I2_S/C復合材料。
[0018](2)將得到的I2_S/C復合材料組裝扣式電池，采用同實施例1同樣的組裝電池的方法與充放電測試方式。循環(huán)穩(wěn)定性曲線如圖4所示。
[0019]實施例4:
本實施例與實施例1不同的是，單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與乙炔黑的質(zhì)量比為35:15:50o
[0020]實施例5:
本實施例與實施例1不同的是，單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與活性炭的質(zhì)量比為40:35:25ο
[0021]實施例6:
本實施例與實施例1不同的是，單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與導電炭黑的質(zhì)量比為70:20:10，導電炭黑為碳納米管和石墨烯的混合物，二者質(zhì)量比為1:1。
【主權(quán)項】
1.一種碘-硫/碳復合材料，其特征在于所述復合材料由單質(zhì)硫、單質(zhì)碘和導電炭黑組成，其質(zhì)量比為 25-85:0.05-40:5~70。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碘-硫/碳復合材料，其特征在于所述導電炭黑為科琴黑、乙炔黑、Super P、CMK-3、活性炭、碳納米管、石墨稀、碳纖維中的一種或多種。3.—種權(quán)利要求1所述的碘-硫/碳復合材料的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下: 將單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與導電炭黑混合均勻，然后加熱到120~158°C，恒溫處理3~48小時，冷卻之后得到鋰硫電池正極材料。4.一種權(quán)利要求1所述的碘-硫/碳復合材料在鋰硫二次電池正極材料中應用。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碘-硫/碳復合材料及其制備方法與應用，所述復合材料由單質(zhì)硫、單質(zhì)碘和導電炭黑組成，其質(zhì)量比為25~85：0.05~40：5~70，制備步驟如下：將單質(zhì)硫、單質(zhì)碘與導電炭黑混合均勻，然后加熱到120~158℃，恒溫處理3~48小時，冷卻之后得到鋰硫電池正極材料。上述碘-硫/碳復合材料可用于鋰硫二次電池的正極材料。本發(fā)明使用單質(zhì)碘添加到硫電極，使其在首次放電之后生成固體電解質(zhì)——碘化鋰，從而改善硫電極的鋰離子傳導狀況而改善鋰硫電池的倍率性能，具有制備方法簡單、可批量化生產(chǎn)、電化學綜合性能好、倍率性能優(yōu)異、活性物質(zhì)在電極中分散性好、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
【IPC分類】H01M4/36, H01M10/0525, H01M4/62
【公開號】CN104979534
【申請?zhí)枴緾N201510291364
【發(fā)明人】左朋建, 張瀚, 花俊夫, 尹鴿平, 高云智
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年6月1日