CN104900830A - 一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，属于电化学电池领域。该类锂硫电池在传统单质硫正极和隔膜之间添加一层活化后的碳布阻挡层，从而能够有效地阻止多硫化物在电解液中的穿梭和多硫化物对锂负极的腐蚀，能够使放电产物更均匀地沉积在电极表面，提高锂硫电池的比容量和循环寿命。通过采用碳纤维布作为阻挡层用于锂硫电池后，其表现出的循环稳定性和倍率性能有了很大的提高。在5C倍率下充放电1000圈后，锂硫电池的放电容量仍然保持在420mAh·g-1左右，容量保持率达到75％，平均每圈减少0.025％。本发明相比于传统的锂硫电池具有，良好的循环性能和倍率性能，并且工艺制备简单，适合工业化生产，具有显著性应用价值。

Description

一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池
技术领域
本发明涉及一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，属于电化学电池领域。
背景技术
近年来，随着科技的不断进步，各种电子产品的快速发展，要求所用的化学电源具有质量轻、体积小、容量大等特点。基于轻元素、多电子“转换反应”的活性电极材料是构建高能量密度二次电池体系的基础。以金属锂作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极构筑的锂硫电池体系在发生完全转化反应时可实现2个电子的转移，其理论能量密度高达2600瓦时/千克。并且硫在自然界中含量丰富、价格低廉、对环境安全友好，因此硫正极成为最具有发展前景的锂电池的正极材料之一。虽然硫正极具有诸多优点，但是锂硫电池目前也面临着一些严重的问题，由于在充放电反应过程中会生成一系列反应中间体——多硫离子，这些多硫离子包括溶解度高的多硫离子和溶解度低的Li2S2和硫化锂，溶解度高的多硫离子会在电池充电时候发生严重的穿梭效应，不溶的产物则会沉积在正负极外表面，导致活性硫不断损失，充放电效率不高。为了解决这些问题研究者做了一些系列的工作来抑制多硫离子的迁移扩散，提高锂硫电池的循环性能和充放电效率。
锂-硫电池正极材料的研究热点主要集中为三大类，第一类是以各种形貌导电碳材料为骨架制备的碳/硫复合材料，如采用碳纳米管、石墨烯、介孔碳存储硫，将硫限制在碳材料的孔道中或者利用碳材料高的比表面积限制多硫化锂的溶解，以利于抑制穿梭效应和提高电池性能；第二类是采用导电聚合物包覆单质硫或利用导电聚合物网络骨架吸附单质硫，如采用聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等作为硫的存储体，不仅能限制多硫化锂的溶解，同时导电聚合物本身的活性也能提高电池的性能；第三类是通过加入各种氧化物或者用氧化物来包覆硫制备出氧化物/硫复合材料，能够明显吸附多硫化锂，进而降低穿梭效应对电池性能的影响。上述措施都是从电池电极结构内部着手，虽能在一定程度上降低穿梭效应对电池性能的影响，但未能从根本上解决多硫化锂溶解穿梭的问题，锂硫电池的性能仍然有待提高。并且，所使用材料制备复杂、成本较高，不便于大规模生产。
现有专利(公开号CN103515646A)，在正极片与隔膜之间设置自制的导电吸附层，制备导电吸附层的工艺较为复杂，成本较高；制备过程中应用的导电聚合物(如聚苯胺，聚吡咯等)对身体有害，会污染环境。而且，目前日常生活中普遍要求电池具有快速充电的能力，比如手机电池。但该专利中只有锂硫电池在0.2C下的循环性能数据，并没有提到该电池在高倍率大电流下的性能表现，无法满足现在电池的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术制备工艺复杂，且无法满足现在电池的要求的问题，提供一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下。
一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，包括含硫活性材料正极、隔膜、电解液和金属锂负极，在含硫活性材料正极与隔膜间设置一层碳纤维布作为阻挡层。
所述碳纤维布阻挡层的厚度为0.34～0.38mm。
所述碳纤维布阻挡层的密度为160～180g/cm2。
安装前需对碳纤维布清洗、干燥，包括如下操作：
步骤一、将碳纤维布阻挡层分别用5％～20％的稀硝酸，去离子水和乙醇超声洗涤10～20分钟。
步骤二、然后在50℃真空干燥箱中干燥6～12小时。
步骤三、最后用等离子清洗机对碳纤维布进行清洗，清洗过程中工作电压设为700V，氧气流速设为500mL/min。
所述的含硫活性材料包括单质硫，硫/碳复合物，硫/导电聚合物复合物，硫/无极氧化物复合物等。
所述的含硫活性材料正极涂覆在铝箔或者碳纤维布上。
有益效果
1、本发明的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，通过在传统单质硫正极和隔膜之间添加一层碳纤维布阻挡层，由于碳纤维布的多孔结构具有阻挡吸附作用，从而能够有效地阻止多硫化物在电解液中的穿梭和多硫化物对锂负极的腐蚀，能够使放电产物更均匀地沉积在电极表面，提高锂硫电池的电化学性能。因此，利用简单的方法来吸收捕获多硫化锂，以提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能(5C倍率下充放电1000圈后，放电容量仍然保持在420mAh·g-1)。
2、本发明的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，碳纤维布作为阻挡层可直接购得，只需要进行简单的前期处理即可投入使用，无需复杂的制备过程。而且，电池的制备工艺简单，安全可靠，控制精确，成本低廉，因而具有良好的应用前景。并且工艺制备简单，适合工业化生产，具有显著性应用价值。
3、本发明的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，阻挡层的存在并不会显著影响电池内部的电子和离子的迁移，反而有利于提高活性物质的利用率，同时能够在电池隔膜破裂的时候可阻止正极和负极的直接接触，起到防护作用，提高电池安全性。
附图说明
图1为实施例1得到的锂硫电池结构示意图；
图2为(a)碳纤维布阻挡层放电前；(b)碳纤维布阻挡层放电后；(c)加碳纤维布阻挡层放电后锂片；(d)无碳纤维布阻挡层放电后锂片的扫描电镜图(SEM)；
图3为加碳纤维布阻挡层的不同倍率下的充放电曲线图；
图4为加与不加碳纤维布阻挡层的倍率性能对比图；
图5为加碳纤维布阻挡层的锂硫电池在5C倍率下循环性能曲线(最初10圈：0.5C下充放电5圈，2C下充放电5圈)。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
对比例1
正极极片制备：
将单质硫粉作为正极活性物质，Super-P为导电剂，PVDF的NMP溶液为粘结剂(以质量比8:1:1混合)。将干燥后的正极材料在研钵中磨10～15min；研磨均匀后，按照比例加入PVDF溶液(质量分数5％)，在磁力搅拌器上搅拌6h；将得到的膏状浆液均匀涂布在集流体碳纤维布上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干20小时备用。
电池组装：
将涂覆了样品的碳纤维布制成直径为12mm的圆形极片；并在6MPa～10MPa的压力下保持30～180s，即得单质硫正极；以金属锂为负极，Celgard膜作为隔膜，选取1mol/L二(三氟甲基磺酸酰)亚胺锂为电解质，0.4mol/L硝酸锂作添加剂，溶剂体积比DOL(1,3-二氧戊环):DME(乙二醇二甲醚)＝1:1，组装成CR2032型扣式电池。电解液的添加量为硫的50倍(质量比)。整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：
使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对电池进行充放电测试，充放电电压范围为1.6V到2.8V。首先，对其倍率性能进行了测试，如图4所示。在0.2C，0.5C，1C，2C，3C，4C时，无碳纤维布阻挡层的锂硫电池的放电容量分别为796，442，388，362，338，315mAh·g-1；当重新回到0.2C充放电时，放电容量只有549mAh·g-1。
将进行倍率性能测试后的电池在手套箱中拆开，取出金属锂片。将放电之后的锂片进行扫描电镜分析，结果如图2(d)所示，无碳纤维布阻挡层的锂片倍率性能测试后，表面有大量的固体团聚物，为充放电过程中产生的不可逆产物Li2S2,Li2S。
对比例2
正极极片制备：
将单质硫粉作为正极活性物质，Super-P为导电剂，PVDF的NMP溶液为粘结剂(以质量比8:1:1混合)。将干燥后的正极材料在研钵中磨10～15min；研磨均匀后，按照比例加入PVDF溶液(质量分数5％)，在磁力搅拌器上搅拌6h；将得到的膏状浆液均匀涂布在集流体铝箔上，然后在60℃的真空干燥箱中烘干20小时备用。
电池组装及电化学性能测试：
电池组装同对比例1。采用LAND2001充放电仪进行充放电测试，充放截止电压为1.6V到2.8V。在1C倍率下充放电，电池的首圈放电比容量为819mAh·g-1，150圈后只剩下213mAh·g-1，容量保持率只有26％，电池性能衰减明显。
实施例1
碳纤维布阻挡层的预处理：
将碳纤维布分别用5％～20％的稀硝酸，去离子水和乙醇超声浸渍洗涤10～20分钟。然后在50℃真空干燥箱中干燥6～12小时。最后用等离子清洗机对碳纤维布进行清洗，清洗过程中工作电压设为700V，氧气流速设为500mL/min。处理后碳纤维布的SEM如图2(a)所示，可以清晰看到碳纤维布横竖交织的三维结构。
正极制备与电池组装：
正极极片制备和对比例1完全一致。电池组装，要在单质硫正极和隔膜之间添加一层碳纤维布阻挡层，其余步骤同对比例1。其电池内部结构示意图如图1所示。所述碳纤维布阻挡层的厚度为0.36mm。所述碳纤维布阻挡层的密度为170g/cm2。
电化学性能测试：
采用LAND2001充放电仪进行充放电测试，充放截止电压为1.6V到2.8V。首先，对其倍率性能进行了测试，如图4所示，在0.2C，0.5C，1C，2C，3C，4C时，加碳纤维布阻挡层的锂硫电池的放电比容量分别为934，857，795，761，745，712mAh·g-1；当重新回到0.2C充放电时，放电容量达到965mAh·g-1。由此可见，通过加入碳纤维布阻挡层，锂硫电池的倍率性能得到了很大的提升。该电池不同倍率下的充放电曲线如图2所示，电池的极化很小。
将进行倍率性能测试后的电池在手套箱中拆开，取出碳纤维布阻挡层和锂片。其中，碳纤维布阻挡层要用DME(乙二醇二甲醚)清洗3～5次，并吹干。得到的放电之后的碳纤维布阻挡层和锂片的SEM如图2(b)和(c)所示。加了阻挡层之后，有效阻止了多硫化锂在电解液中的溶解和迁移，防止了多硫化锂穿透隔膜迁移至负极与其发生腐蚀反应，锂片表面比较平整，没有Li2S2和Li2S的大块沉淀物。放电后，在碳纤维布阻挡层上可以清楚地看见三维结构空隙之间“捕获”的多硫化锂，进一步解释了性能提高的原因。
最后，又对该锂硫电池测试了大倍率的循环性能，如图5所示。在5C倍率下(最初10圈：0.5C下充放电5圈，2C下充放电5圈)放电1000圈后，电池的放电容量仍然保持在420mAh·g-1，容量保持率达到75％，平均每圈减少0.025％。库伦效率将近100％，体现了非常好的循环性能。
实施例2
正极极片制备同对比例2，碳纤维布阻挡层的预处理及电池组装方式同实施例1。采用LAND2001充放电仪进行充放电测试，充放截止电压为1.6V到2.8V。在1C倍率下充放电，电池的首圈放电比容量达到945mAh·g-1，150圈后仍有752mAh·g-1，容量保持率达到79.6％，平均每圈减少0.13％，比对比例2中的电池性能提高了很多。该结果说明，通过碳纤维布阻挡层的添加，对以铝箔为集流体的锂硫电池的性能提高也是有很大帮助的。

Claims (6)

1.一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，包括含硫活性材料正极、隔膜、电解液和金属锂负极，其特征在于：在含硫活性材料正极与隔膜间设置一层碳纤维布作为阻挡层。
2.如权利要求1所述的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，其特征在于：所述碳纤维布阻挡层的厚度为0.34～0.38mm。
3.如权利要求1所述的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，其特征在于：所述碳纤维布阻挡层的密度为160～180g/cm2。
4.如权利要求1所述的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，其特征在于：安装前需对碳纤维布清洗、干燥，包括如下操作：
步骤一、将碳纤维布阻挡层分别用5％～20％的稀硝酸，去离子水和乙醇超声洗涤10～20分钟；
步骤二、然后在50℃真空干燥箱中干燥6～12小时；
步骤三、最后用等离子清洗机对碳纤维布进行清洗，清洗过程中工作电压设为700V，氧气流速设为500mL/min。
5.如权利要求1所述的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，其特征在于：所述的含硫活性材料包括单质硫，硫/碳复合物，硫/导电聚合物复合物，硫/无极氧化物复合物。
6.如权利要求1或5所述的一种碳纤维布作为阻挡层的锂硫电池，其特征在于：所述的含硫活性材料正极涂覆在铝箔或者碳纤维布上。
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