CN104659406B - 锂硫电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂硫电池领域，尤其涉及一种锂硫电池及其制备方法，该锂硫电池由阴极、阳极、隔离膜、电解质和外包装组成，阴极由集流体和涂敷层组成，涂敷层中活性物质至少含有单质硫、硫基化合物或硫复合物中的一种；且阴极涂敷层中还分布有聚合物网状结构，且阳极中不含有聚合物网状结构。本发明的锂硫电池阴极涂层中分布有均匀的聚合物网络结构，紧紧的将放电过冲中生成的锂硫化物固定下来，同时，选择的高分子聚合物具有特殊的结构：对称的具有尽量多的交联点的单体；这类单体离子导电能力强，不会降低锂硫电池的电化学性能；该聚合物网络结构仅分布在阴极一侧，而阳极一侧不含有，可以降低聚合物的用量，降低原材料使用成本。

Description

锂硫电池及其制备方法
技术领域
本发明属于锂硫电池领域，尤其涉及一种锂硫电池及其制备方法。
背景技术
自从1991年，碳材料创造性的运用于锂离子电池领域，并带来该领域革命性的变化，即高效而安全的进行多次充放电后，其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-Cd、MH-Ni电池相比，锂离子电池具有更高的比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命等，是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。
然而随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更轻、更薄、更小、更持久、价格更低的新需求，相应的便对这些设备的供电器件提出了新的要求；能量密度更高、价格便宜；这其中供电器件(电池)能量密度与用户体验息息相关，备受广大消费者的关注，而现阶段提高电池能量密度的方法主要集中在开发新的正/负极材料，开发新型的正极材料对电池能量密度提升效果尤为显著。
目前商品化的正极材料主要是层状或尖晶石结构的锂过渡金属氧化物(如钴酸锂、锰酸锂)和橄榄石结构的磷酸铁锂等。钴酸锂(LiCoO2)的理论容量相对较大(275mAh/g)，但实际放电容量仅160mAh/g左右，且其价格高，有一定毒性，而且该正极材料在过充时易发生放热分解反应，不仅使电池容量明显下降，同时对电池安全也造成威胁。锰酸锂(LiMn2O4)的理论容量为148mAh/g，实际容量低于130mAh/g，且其压实密度不高，能量密度低，稳定性差，在充放电过程中容易引起晶格变形，导致循环效率偏低。磷酸铁锂(LiFePO4)的理论容量为172mAh/g，但该正极材料压实密度低，制备出来的电芯能量密度相应较小。上述常用锂离子电池正极材料容量普遍不高，同时也均存在一些问题，不能满足电池开发需求。
单质硫的理论比容量为1675mAh/g，远远高于目前商业使用的正极材料的理论必容量，成为当前电池发展的主要趋势。但是在充放电过程中，单质硫会转化为多硫化物，而多硫化物会溶于液体有机电解液中，导致在循环过程中活性物质的损失，更为严重的是，溶解的硫化物将在负极析出形成枝晶，具有极大的刺穿隔离膜的风险，从而导致电池的安全性极差。
针对锂硫电池阴极在充放电过程中形成的锂硫化物溶解问题，确有必要开发一种新的锂硫电池体系，既能解决锂硫电池锂硫化物溶解扩散问题，又不影响锂硫电池的电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种新的锂硫电池体系及该锂硫电池的制备方法：该锂硫电池阴极涂层中分布有均匀的聚合物网络结构，紧紧的将放电过冲中生成的锂硫化物固定下来，同时，选择的高分子聚合物具有特殊的结构：对称的具有尽量多的交联点的单体；这类单体离子导电能力强，不会降低锂硫电池的电化学性能；该聚合物网络结构仅分布在阴极一侧，而阳极一侧不含有，可以降低聚合物的用量，降低原材料使用成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种锂硫电池，由阴极、阳极、隔离膜、电解质和外包装组成，
阴极：由集流体和涂敷层组成，涂敷层中的阴极活性物质至少含有单质硫、硫基化合物和硫复合物中的一种；所述单质硫包括升华硫和/或高纯硫；硫基化合物包括有机硫化物、Li2Sn中的至少一种，其中，n≥1；所述硫复合物包括硫/碳复合物、硫/导电聚合物复合物和硫/无机氧化物中的至少一种；
阳极：为贫锂物质和/或富锂物质；所述富锂物质为金属锂；所述贫锂物质包括碳类材料、合金类材料、金属氧化物系列、金属氮化物和碳化合物中的至少一种；
隔离膜：具有电子绝缘、离子导通功能的组件；
电解质：由锂盐、非水溶剂和添加剂组成；
阴极涂敷层中还分布有聚合物网状结构，且阳极中不含有聚合物网状结构。
所述阴极涂敷层中分布的聚合物网状结构包含有具有对称结构的高分子聚合物，所述对称结构为中心对称或者轴对称，所述高分子的对称中心为单一原子。
所述阴极涂敷层中分布的聚合物网状结构包含有如下结构的高分子单体聚合而成的聚合物：
其中：
R1为直链烷基链、含有侧基的烷基链或含有苯环的链段。
R2为丙烯酸基或含有α-侧基的丙烯酸酯基。
所述高分子单体选自季壬四醇四丙烯酸酯、季壬四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季壬四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、1,6-已二基双[氧(2-羧丙基-1,3-二基)]二丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯中的至少一种单体聚合而成。
所述阴极涂敷层中的聚合物网状结构均匀的分布于阴极涂敷层中，所述聚合物的质量占整个阴极涂敷层质量的0.1％-20％。
所述阴极涂敷层中的聚合物网状结构为单体原位聚合而成或/和聚合物转移渗透而成。
一种上述锂硫电池的制备方法，其特征在于，至少包括以下几个步骤：
步骤1，聚合物浆料配置：将高分子组分与溶剂均匀混合，得到高分子组分的浆料待用；
步骤2，阴极电极制备：将至少含有硫单质、硫的化合物和硫的复合物中的一种的阴极活性材料、导电剂、粘接剂以及溶剂混合均匀制备得到浆料，之后涂敷在集流体上得到阴极极片；
步骤3，将步骤1制得的浆料喷涂于步骤2得到的极片表面，经过充分渗透、反应、去溶剂化后得到分布有聚合物网状结构的阴极极片；
步骤4，成品锂硫电池的制备：将步骤3得到的阴极片与阳极片、隔离膜组装得到裸电芯，之后入壳/入袋、烘烤、注液、静置、化成、整形得到成品锂硫电池。
步骤1所述高分子组分为高分子单体或/和高分子聚合物。
步骤1所述高分子单体为具有对称结构的高分子单体，包括季壬四醇四丙烯酸酯、季壬四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季壬四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、1,6-已二基双[氧(2-羧丙基-1,3-二基)]二丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯中的至少一种；步骤1所述高分子聚合物为具有对称结构的高分子聚合物。
步骤1所述溶剂包括乙醇、丙酮和氮甲基吡咯烷酮中的至少一种。
本发明的有益效果在于：本发明的锂硫电池阴极涂层中分布有均匀的聚合物网络结构，紧紧的将放电过冲中生成的锂硫化物固定下来，同时，选择的高分子聚合物具有特殊的结构：对称的具有尽量多的交联点的单体；这类单体离子导电能力强，不会降低锂硫电池的电化学性能；该聚合物网络结构仅分布在阴极一侧，而阳极一侧不含有，可以降低聚合物的用量，降低原材料使用成本。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明及其有益效果进行详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
比较例1，阴极片制备：将硫-石墨烯复合物(占整个阴极涂敷层重量的95％)与粘接剂及溶剂，充分搅拌后得到浆料，之后经过涂覆、冷压得到阴极片。
成品电芯制备：将制备得到的阴极片、金属锂带以及隔离膜卷绕得到裸电芯，使用铝塑膜为包装袋进行入袋封装，之后烘干、注液、静置、化成、整形、除气后，最终得到成型后的电芯。
比较例2，阴极片制备：将硫-石墨烯复合物(占整个阴极涂敷层重量的95％)与粘接剂及溶剂，充分搅拌后得到浆料，之后经过涂覆、冷压得到阴极片。
阳极片制备：将石墨、导电剂、粘接剂以及溶剂充分搅拌得到阳极浆料，之后涂敷在集流体上，经冷压、分条焊接后得到阳极片。
富锂阳极片制备：在上述阳极片表层，复合一层金属锂带，制备得到富锂阳极片。
成品电芯制备：将制备得到的阴极片、富锂阳极片以及隔离膜卷绕得到裸电芯，使用铝塑膜为包装袋进行入袋封装，之后烘干、注液、静置、化成、整形、除气后，最终得到成型后的电芯。
比较例3，聚合物溶液配置：按丙烯酸乙酯：过氧化二碳酸二异丙酯：乙醇＝20：0.5：79.5的比例，首次按称量丙烯酸乙酯、乙醇搅拌均匀备用，之后在使用前1个月内加入对应比例的过氧化二碳酸二异丙酯。
阴极片制备：将硫-石墨烯复合物(占整个阴极涂敷层重量的95％)与粘接剂及溶剂，充分搅拌后得到浆料，之后经过涂覆、冷压得到阴极片。
聚合物网络阴极片制备：按照丙烯酸乙酯的质量为阴极涂层质量的5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
阳极片制备：将石墨、导电剂、粘接剂以及溶剂充分搅拌得到阳极浆料，之后涂敷在集流体上，经冷压、分条焊接后得到阳极片。
富锂阳极片制备：在上述阳极片表层，复合一层金属锂带，制备得到富锂阳极片。
成品电芯制备：将制备得到的聚合物网络阴极片、富锂阳极片以及隔离膜卷绕得到裸电芯，使用铝塑膜为包装袋进行入袋封装，之后烘干、注液、静置、化成、整形、除气后，最终得到成型后的电芯。
实施例1，聚合物溶液配置：按壬四醇四丙烯酸酯：过氧化二碳酸二异丙酯：乙醇＝20：0.5：79.5的比例，首次按称量壬四醇四丙烯酸酯、乙醇搅拌均匀备用，之后在使用前1个月内加入对应比例的过氧化二碳酸二异丙酯。
阴极片制备：同实施例1。
聚合物网络阴极片制备：按照丙烯酸乙酯的质量为阴极涂层质量的5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例2，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物网络阴极片制备：按照壬四醇四丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的0.1％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例3，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物网络阴极片制备：按照壬四醇四丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的0.5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例4，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物网络阴极片制备：按照壬四醇四丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的1.5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例5，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物网络阴极片制备：按照壬四醇四丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的20％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例6，与实施例1不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物溶液配置：按季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯：过氧化二碳酸二异丙酯：丙酮＝20：0.5：79.5的比例，首次按称量壬四醇四丙烯酸酯、乙醇搅拌均匀备用，之后在使用前1个月内加入对应比例的过氧化二碳酸二异丙酯。
聚合物网络阴极片制备：按照季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与实施例1的相同，这里不再重复。
实施例7，与比较例3不同的是，本实施例包括如下步骤：
聚合物溶液配置：按双酚A二甲基丙烯酸酯：过氧化二碳酸二异丙酯：乙醇＝20：0.5：79.5的比例，首次按称量壬四醇四丙烯酸酯、乙醇搅拌均匀备用，之后在使用前1个月内加入对应比例的过氧化二碳酸二异丙酯。
聚合物网络阴极片制备：按照双酚A二甲基丙烯酸酯的质量为阴极涂层质量的5％的关系，将聚合物溶液均匀的喷涂在阴极片表面，待其充分浸润后，对极片置于70℃环境中烘烤4h，使得乙醇完全挥发、同时聚合物单体聚合生产聚合物网络结构，从而制备得到聚合物网络阴极片。
其它与比较例3的相同，这里不再重复。
实施例8，与实施例7不同的是，本实施例包括如下步骤：
阴极片制备：以纳米硫颗粒与超级导电碳复合物(占阴极涂层总重量的80％)和磷酸铁锂的混合物为阴极活性物质，再加入导电剂、粘接剂以及溶剂，经过充分搅拌后得到阴阳极浆料，之后经过涂覆、冷压得到阴极片。
其它与比较例4的相同，这里不再重复。
本发明进行如下测试：
容量测试：在35℃环境中按如下流程对各实施例和比较例的电芯进行容量测试：静置3min；0.5C恒流充电至3.8V，恒压充电至0.05C；静置3min；0.5C恒流放电至1.5V得到首次放电容量D0；静置3min之后完成容量测试，所得结果见表1。
电芯阻抗测试：在35℃下将电芯充电至2.1V(充电流程为：静置3min；0.5C恒流充电至2.1V，恒压充电至0.05C；静置3min。)，之后使用电化学工作站测试电芯的交流阻抗，并记录扫描频率为1000HZ时的测试结果IMP，所得结果见表1。
循环测试：在35℃环境中按如下流程对各实施例和比较例的电芯进行循环测试：静置3min；0.5C恒流充电至3.8V，恒压充电至0.05C；静置3min；0.5C恒流放电至1.5V得到首次放电容量D0；静置3min之后进行第二次充电：0.5C恒流充电至3.8V，恒压充电至0.05C；静置3min；0.5C恒流放电至1.5V得到首次放电容量D1；之后再循环298次得到D299；此时，电芯容量保持率＝D299/D0，所得结果见表1。
自放电测试：在RT环境中按如下流程将各实施例和比较例做完循环测试的电芯进行自放电测试：静置3min；0.5C恒流充电至3.0V，恒压充电至0.05C；静置72h后测试开路电压V1，之后再静置72h测试开路电压V2，电芯的自放电速率＝(V1-V2)/72(mV/h)，所得结果见表1。
表1、不同聚合物种类及含量制备得到的聚合物网络结构阴极对应电芯的容量、阻抗、循环性能及自放电表
对比比较例1与实施例1-5可得，在阴极电极中，添加本发明的聚合物制备聚合物网络结构固定的锂硫电池阴极电极的锂硫电池，具有更加优异的电性能及自放电性能，具体表现为容量略有提升、阻抗略微降低、循环性能显著改善、自放电速率显著降低；同时，当聚合物组分添加量过大(20％)时，将会影响锂硫电池容量发挥。对比比较例2、3和实施例6可得，添加聚合物形成网络结构阴极片后，锂硫电池的循环性能显著提高，但普通的聚合物添加到电极中后，由于聚合物对锂离子传输的影响，将增加锂硫电池的阻抗，影响电池的电性能发挥；而本发明所使用的聚合物的引入，不会出现降低锂硫电池电化学性能的现象。最后，从实施例7、8可以看出，本发明适合锂硫电池的多个体系。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种锂硫电池，由阴极、阳极、隔离膜、电解质和外包装组成，
阴极：由集流体和涂敷层组成，涂敷层中的阴极活性物质至少含有单质硫、硫基化合物和硫复合物中的一种；所述单质硫包括升华硫和/或高纯硫；硫基化合物包括有机硫化物、Li2Sn中的至少一种，其中，n≥1；所述硫复合物包括硫/碳复合物、硫/导电聚合物复合物和硫/无机氧化物中的至少一种；
阳极：为贫锂物质和/或富锂物质；所述富锂物质为金属锂；所述贫锂物质包括碳类材料、合金类材料、金属氧化物系列、金属氮化物和碳化合物中的至少一种；
隔离膜：具有电子绝缘、离子导通功能的组件；
电解质：由锂盐、非水溶剂和添加剂组成；
阴极涂敷层中还分布有聚合物网状结构，且阳极中不含有聚合物网状结构；
所述阴极涂敷层中分布的聚合物网状结构包含有如下结构的高分子单体聚合而成的聚合物：
其中：
R1为直链烷基链、含有侧基的烷基链或含有苯环的链段；
R2为丙烯酸基或含有α-侧基的丙烯酸酯基。
2.一种权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述阴极涂敷层中分布的聚合物网状结构包含有具有对称结构的高分子聚合物，所述对称结构为中心对称或者轴对称，所述高分子的对称中心为单一原子。
3.一种权利要求1-2任一项所述的锂硫电池，其特征在于，所述高分子单体选自季壬四醇四丙烯酸酯、季壬四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季壬四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、1,6-已二基双[氧(2-羧丙基-1,3-二基)]二丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯中的至少一种单体聚合而成。
4.一种权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述阴极涂敷层中的聚合物网状结构均匀的分布于阴极涂敷层中，所述聚合物的质量占整个阴极涂敷层质量的0.1％-20％。
5.一种权利要求1的所述锂硫电池，其特征在于，所述阴极涂敷层中的聚合物网状结构为单体原位聚合而成。
6.一种权利要求1所述的锂硫电池的制备方法，其特征在于，至少包括以下几个步骤：
步骤1，聚合物浆料配置：将高分子组分与溶剂均匀混合，得到高分子组分的浆料待用；
步骤2，阴极电极制备：将至少含有硫单质、硫的化合物和硫的复合物中的一种的阴极活性材料、导电剂、粘接剂以及溶剂混合均匀制备得到浆料，之后涂敷在集流体上得到阴极极片；
步骤3，将步骤1制得的浆料喷涂于步骤2得到的极片表面，经过充分渗透、反应、去溶剂化后得到分布有聚合物网状结构的阴极极片；
步骤4，成品锂硫电池的制备：将步骤3得到的阴极片与阳极片、隔离膜组装得到裸电芯，之后入壳/入袋、烘烤、注液、静置、化成、整形得到成品锂硫电池。
7.一种权利要求6所述的锂硫电池的制备方法，其特征在于，步骤1所述高分子组分为高分子单体或/和高分子聚合物。
8.一种权利要求7所述的锂硫电池的制备方法，其特征在于，步骤1所述高分子单体为具有对称结构的高分子单体，包括季壬四醇四丙烯酸酯、季壬四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季壬四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、季戊四醇四(α-甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(α-乙基)丙烯酸酯、1,6-已二基双[氧(2-羧丙基-1,3-二基)]二丙烯酸酯、双酚A二甲基丙烯酸酯、双酚A丙三醇双甲基丙烯酸酯中的至少一种；步骤1所述高分子聚合物为具有对称结构的高分子聚合物。
9.一种权利要求6所述的锂硫电池的制备方法，其特征在于，步骤1所述溶剂包括乙醇、丙酮和氮甲基吡咯烷酮中的至少一种。
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