本發(fā)明屬于電極材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰硫電池電極材料及利用該種電極材料制備鋰硫電池的方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池(Lithium-ionbattery,LIB)，又稱為鋰二次電池，是一種可循環(huán)充電的移動電源設(shè)備。LIB具有高能量密度、高功率密度、循環(huán)壽命長、清潔無毒和無記憶效應等諸多優(yōu)點，自從上世紀90年代索尼公司將LIB商業(yè)化以來，LIB得到了迅速而廣泛的發(fā)展。目前LIB己經(jīng)成為大多數(shù)移動電子設(shè)備的電源。近幾年，人們對LIB進行了深入和廣泛的研究。在LIB中，負極材料對電池的性能有著很大的影響，發(fā)展優(yōu)異的負極材料也是提高LIB性能的關(guān)鍵因素之一。碳材料是最主要的一種LIB負極材料，目前己經(jīng)有上百種擁有不同結(jié)構(gòu)的碳材料被用作鋰離子電池負極，這些材料包括天然石墨、人工石墨、焦炭、碳纖維、中間相碳微球、碳黑等。
單質(zhì)硫無毒、全球儲量豐富，而且有著較高的理論比容量（1675mAh/g）。金屬鋰有著低密度（0.534g/cm3）、低電勢（-3.045v）和高比容量（3861mAh/g）,因此鋰硫電池可以達到較高的能量密度，從而可在能量存儲、再生能源利用等方面發(fā)揮重要作用。然而，鋰硫電池商業(yè)化過程中存在諸多問題，如金屬鋰化學性質(zhì)不穩(wěn)定，使用時存在潛在的危險；當負極采用金屬鋰箔時，電池經(jīng)過多次充放電后，金屬鋰箔表面易形成枝晶。枝晶的不斷生長導致電池容量下降，且枝晶生長可能刺穿隔膜，造成電池短路，引發(fā)安全問題。
硬碳是高分子聚合物的熱解碳，即使在高溫下也難以石墨化。硬碳的可逆容量能較高，循環(huán)性能也很好。但是硬碳也存在電極電位過高、電位滯后(即嵌鋰電位小于脫鋰電位)以及首次循環(huán)不可逆容量大等缺點。
目前，大部分鋰硫電池都采用金屬鋰作為負極。鋰作為負極在多次充放電過程中會由十電流密度不均導致枝品的形成。枝品會導致隔膜穿透，進而使電池發(fā)生短路，是主要的安全隱患來源。如果在負極中添加石墨烯，負極的比表面積變大，面電流密度減小，同時，疏松的石墨烯提供了鋰沉積的空間，從而使鋰枝品的生長越來越困難。針對鋰負極存在的問題，科研工作者進行的改進和研究較少。歸結(jié)起來主要包括兩個方面：一是從電解液添加劑進行改性，通過加入不同的添加劑，如LiNO3和PEO等，促使鋰負極表面在充放電過程中快速形成更為穩(wěn)定的SEI膜，希望能抑制鋰枝晶和提高循環(huán)性能。然而添加劑在充放電過程中逐漸被消耗，影響電池的穩(wěn)定性和連續(xù)性。二是從鋰電極的制備工藝入手，通過使用鋰化合物包覆鋰粉或者電沉積金屬鋰，鋰箔表面增加保護層等方法，提高了循環(huán)效率和循環(huán)壽命，但操作過程也較為復雜。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種由穩(wěn)態(tài)鋰粉和特殊配比碳材料制備而成的負極漿料，以及由該漿料制備而成的鋰硫電池，其解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用硬碳等材料帶來的技術(shù)缺陷、并且解決了鋰電池負極改進的中存在的穩(wěn)定性和連續(xù)性差以及操作復雜等技術(shù)問題。
一種鋰硫電池，包括正極和負極，其特征在于：以質(zhì)量份數(shù)計，其負極由以下原料組合物組成：5-10份穩(wěn)態(tài)鋰粉、3-7份碳材料、1份粘結(jié)劑和溶劑；所述粘結(jié)劑由聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成；所述溶劑以碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1的混合而成；其正極由以下材料組成：正極漿料包含：9份升華硫、7份導電劑、1份粘結(jié)劑和溶劑；所述的導電劑由納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成，所述粘結(jié)劑中的聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成；所述溶劑由碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1混合而成；
一種鋰硫電池的制備方法，包括以下步驟：
步驟1、正極片的制備：以升華硫為正極活性物質(zhì)、納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的混合物為導電劑、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成的混合體系為混合體粘結(jié)劑；含硫的正極漿料中的升華硫、納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的導電劑與所述粘結(jié)劑的質(zhì)量比為9:7:1；把混合體粘結(jié)劑溶于碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1混合而成的混合溶劑中制成溶液，其中，按照質(zhì)量計算，按照固體含量為30%的比例稱取溶劑，固體為升華硫、納米碳纖維和膨脹石墨；再將升華硫與納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的導電劑按質(zhì)量比混合均勻后，倒入已溶解粘結(jié)劑的溶劑中，制作成正極漿料；
然后將得到的漿料均勻涂布在泡沫鎳集流體；再置于真空干燥箱中干燥，除去溶劑和水分，真空干燥箱中的溫度為50℃，干燥時間為10-15h；用刀片將泡沫鎳表面的漿料刮除干凈，把正極片壓平，然后把正極片置于真空干燥箱中再次干燥；
步驟2、負極片制備：把穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成的混合體系粘結(jié)劑按照質(zhì)量比稱量、以碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1的混合而成的混合物為溶劑，其中，按照質(zhì)量計算，按照固體含量為30%的比例稱取溶劑，固體為穩(wěn)態(tài)鋰粉和碳材料；先把粘結(jié)劑溶解于溶劑中，而后把穩(wěn)態(tài)鋰粉和碳材料倒入上述溶液中，混合均勻后涂抹于泡沫鎳集流體中從而得到負極片；把負極片置于加熱片上加熱以使溶劑揮發(fā)，而后把負極片壓平；其中，穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為5-10：3-7：1；加熱片上加熱的溫度為70℃，加熱時間為8-15h；
步驟3、電池組裝：使用步驟1制得的正極片和步驟2制得的負極片的組裝成鋰硫電池。
一種鋰硫電池負極材料，其特征在于包括：以質(zhì)量份數(shù)計，由以下原料組合物組成：5-10份穩(wěn)態(tài)鋰粉、3-7份碳材料、1份粘結(jié)劑和溶劑。
進一步，所述的穩(wěn)態(tài)鋰粉由滴液乳化技術(shù)（DET）制成，鋰粉直徑為60μm-90μm。
進一步，所述的碳材料為炭納米球、碳納米管和介孔碳按照質(zhì)量比為5：2：1混合而成的混合物。
進一步，所述粘結(jié)劑為聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成的粘結(jié)劑；所述溶劑為碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1混合而成的混合溶劑。
一種鋰硫電池的制備方法，采用上述負極材料作為負極，其特征在于包括如下步驟：
（1）將含硫的正極漿料涂在集流體制成正極片；
（2）把穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和粘結(jié)劑按照質(zhì)量比稱量，以碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1的混合而成的混合物為溶劑；先把所述粘結(jié)劑溶解于所述溶劑中，而后把穩(wěn)態(tài)鋰粉和碳材料倒入上述溶液中，混合均勻后涂抹于泡沫鎳中從而得到負極片；把負極片置于加熱片上加熱以使溶劑揮發(fā)；而后把負極片壓平待用；
（3）將正極、負極、隔膜組裝成紐扣電池。
進一步，步驟（1）中所述的含硫的正極漿料包含：升華硫、導電劑、粘結(jié)劑和溶劑；所述的導電劑由納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成，所述粘結(jié)劑中的聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成；所述溶劑由碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1混合而成；先將粘結(jié)劑溶解于的混合溶劑中，再將升華硫與導電劑按質(zhì)量比混合均勻后，倒入已溶解粘結(jié)劑的溶劑中，制作成正極漿料，然后將正極漿料均勻涂抹在集流體，制成正極片。
進一步，所述正極片需在真空干燥箱中加熱去除水分和溶劑，然后將其表面刮平和壓平；所述的真空干燥箱中的溫度為50℃，干燥時間為10h。
進一步，所述的含硫的正極漿料中的升華硫、導電劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為9:7:1。
進一步，步驟（2）中所述負極片需在40℃-70℃加熱8h-11h以去除溶劑，而后壓平待用。
進一步，步驟（2）和（3）中的操作均在充滿氬氣的真空手套箱中完成。
本發(fā)明制備得到的鋰硫電池負極材料以及鋰硫電池具有如下有益效果：
（1）本發(fā)明制備得到的鋰硫電池負極材料由穩(wěn)態(tài)鋰粉和特定配比的碳材料制作的負極與普通鋰箔電極相比，比表面積更大，孔隙率更高，與電解液接觸更完全，從而有效放電面積更大，阻抗更小，且能有效抑制鋰枝晶的生長，可表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和倍率性能。
（2）本發(fā)明制備得到的鋰硫電池負極材料中采用碳納米球材料，碳納米球具有獨特的形貌結(jié)構(gòu)，在電化學表現(xiàn)上有獨特的優(yōu)勢：a、球狀的外形可以實現(xiàn)最緊密的堆積，使鋰離子電池具有更高的體積能量密度；b、球狀的石墨片層結(jié)構(gòu)使Li+可以從球的各個方向進行嵌入和脫嵌，克服了石墨由于各向異性過高而引發(fā)的石墨片層溶漲、塌陷和不能快速充放電的問題；c、球狀顆粒的外形更便于電極的加工。其又充分結(jié)合了碳納米管和介孔碳的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，高度有序介孔碳具有比表面積大、孔徑均勻、孔隙體積非常高、相互關(guān)聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)和高導電性等特點；而碳納米管又具有良好的取向，可與集流體形成良好的接觸并形成高效定向?qū)щ姽羌?，有效提高鋰硫電池電極材料中骨架導電性，而其內(nèi)部的規(guī)則孔道也有利十多硫化物的儲存。本發(fā)明充分利用這三者結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，能有效減弱連續(xù)充放電過程中的穿梭效應和枝晶生長，比常規(guī)電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能和倍率性能。
（3）在正極的導電添加劑方面，本發(fā)明添加納米碳纖維和膨脹石墨，前者可形成三維導電網(wǎng)絡(luò)，既能增加極片中的遠程導電能力，又不易被允放電過程中形成的產(chǎn)物完全覆蓋，從而改善了極片的表面結(jié)構(gòu);后者利用膨脹石墨的豐富網(wǎng)絡(luò)空隙結(jié)構(gòu)及良好吸附性能，也可提高單質(zhì)硫的利用率和循環(huán)性能。
（4）本發(fā)明還特別選用了采用聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺的混合體系作為粘結(jié)劑，從而跟有力的保持硫正極在循環(huán)過程中的多孔結(jié)構(gòu)。
（5）本發(fā)明選用了三種物質(zhì)的混合體系作為溶劑，經(jīng)過實驗，該溶劑能更好的保持各種極片的原材料的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)勢，使得最終制備得到的產(chǎn)品具有更好的穩(wěn)定性和更高的品質(zhì)。
具體實施方式
實施例一：
一種鋰硫電池及其制備方法如下：
1、正極片的制備：以升華硫為正極活性物質(zhì)、納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的混合物為導電劑，聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成的混合體系為粘結(jié)劑。
含硫的正極漿料中的升華硫、納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的導電劑與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為9:7:1。把混合體粘結(jié)劑溶于碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1混合而成的混合溶劑中制成溶液，其中，按照質(zhì)量計算，按照固體含量為30%的比例稱取溶劑。再將升華硫與納米碳纖維和膨脹石墨按照質(zhì)量比為1:1組合而成的導電劑按質(zhì)量比混合均勻后，倒入已溶解粘結(jié)劑的溶劑中，制作成正極漿料。
然后將得到的漿料均勻涂布在泡沫鎳集流體。再置于真空干燥箱中干燥，除去溶劑和水分，真空干燥箱中的溫度為50℃，干燥時間為10h，用刀片將泡沫鎳表面的漿料刮除干凈，再以一定壓力把正極片壓平。而后把正極片置于真空干燥箱中再次干燥。以上操作均在真空手套箱中完成。
2、負極片制備：把穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺按照體積比為2:1混合而成的混合體系粘結(jié)劑按照質(zhì)量比稱量，以碳酸丙烯酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）和聚醚砜（PES）按照體積比為3:2:1的混合而成的混合物為溶劑，其中，按照質(zhì)量計算，按照固體含量為30%的比例稱取溶劑。
先把粘結(jié)劑溶解于溶劑中，而后把穩(wěn)態(tài)鋰粉和碳材料倒入上述溶液中，混合均勻后涂抹于泡沫鎳集流體中從而得到負極片；把負極片置于加熱片上加熱以使溶劑揮發(fā)；而后把負極片壓平待用；其中，穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為10:7:1；加熱片上加熱的溫度為70℃，加熱時間為8h。以上操作均在真空手套箱中完成。
3、電池組裝：使用上述正極片和上述負極片的組裝成電池。
電池組裝與測試：紐扣式電池在充滿氬氣的手套箱中裝配。以上述負極片為負極，采用Celgard2400隔膜和2025型紐扣式電池。電解液為1MLiClO4、0.15MLiNO3溶于DOL：DME（體積比1：1）。電池置于藍電測試系統(tǒng)（CT2001A）進行恒流測試。充放電電壓范圍為1.5-3.0V，測試溫度為室溫。
實施例二：
與實施例一相比，實施例二在負極片制備過程中，改變穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為7：4：1，加熱片上加熱的溫度為40℃，加熱時間為11h。其余操作和說明同實施例一。
實施例三：
與實施例一相比，實施例二在負極片制備過程中，改變穩(wěn)態(tài)鋰粉、碳材料和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為5：5：1，加熱片上加熱的溫度為60℃，加熱時間為9h。其余操作和說明同實施例一。
相比對普通鋰箔電極，當實施例一、二和三的負極使用穩(wěn)態(tài)鋰粉和混合碳材料時，本發(fā)明的鋰硫電池可表現(xiàn)出更好的首次充放電比容量，同時100次循環(huán)后容量保持率均在95.2%以上。
各實施例的紐扣電池靜置24小時后做交流阻抗對比實驗。實驗結(jié)果顯示，當實施例一、二和三使用穩(wěn)態(tài)鋰粉和混合碳材料后，相比對普通鋰箔電極，本發(fā)明的鋰硫電池的阻抗大大減小，原因在于穩(wěn)態(tài)鋰粉的比表面積大、與電解液接觸完全，可表現(xiàn)出更快的電子傳遞和轉(zhuǎn)移。
同時，本發(fā)明制備得到的鋰硫電池負極材料中采用碳納米球材料，碳納米球具有獨特的形貌結(jié)構(gòu)，在電化學表現(xiàn)上有獨特的優(yōu)勢：（a）球狀的外形可以實現(xiàn)最緊密的堆積，使鋰離子電池具有更高的體積能量密度；（b）球狀的石墨片層結(jié)構(gòu)使Li+可以從球的各個方向進行嵌入和脫嵌，克服了石墨由于各向異性過高而引發(fā)的石墨片層溶漲、塌陷和不能快速充放電的問題；（c）球狀顆粒的外形更便于電極的加工。
進而，本發(fā)明又充分結(jié)合了碳納米管和介孔碳的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，高度有序介孔碳具有比表面大、孔徑均勻、孔隙體積非常高、相互關(guān)聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)和高導電性等特點；而碳納米管又具有良好的取向，可與集流體形成良好的接觸并形成高效定向?qū)щ姽羌埽行岣咪嚵螂姵仉姌O材料中骨架導電性，而其內(nèi)部的規(guī)則孔道也有利十多硫化物的儲存。本發(fā)明充分利用這三者結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，能有效減弱連續(xù)充放電過程中的穿梭效應和枝晶生長，比常規(guī)電極表現(xiàn)出更好的循環(huán)性能和倍率性能。
當利用各實施例的電極與普通鋰箔電極的在不同倍率下進行充放電對比實驗。實驗結(jié)果顯示，當采用本發(fā)明的電極時，鋰硫電池在不同倍率下可表現(xiàn)出較高的比容量。尤其在大電流密度下，采用穩(wěn)態(tài)鋰粉和混合碳材料制備的鋰硫電池比普通鋰箔電極電池表現(xiàn)出明顯的比容量提升。
在正極的導電添加劑方面，我們添加納米碳纖維和膨脹石墨，前者可形成三維導電網(wǎng)絡(luò)，既能增加極片中的遠程導電能力，又不易被允放電過程中形成的產(chǎn)物完全覆蓋，從而改善了極片的表面結(jié)構(gòu);后者利用膨脹石墨的豐富網(wǎng)絡(luò)空隙結(jié)構(gòu)及良好吸附性能，也可提高單質(zhì)硫的利用率和循環(huán)性能。
本發(fā)明還特別選用了采用聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯亞胺的混合體系作為粘結(jié)劑，從而跟有力的保持硫正極在循環(huán)過程中的多孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明選用了三種物質(zhì)的混合體系最為溶劑，經(jīng)過實驗，該溶劑能更好的保持各種極片的原材料的結(jié)構(gòu)特征以及優(yōu)勢，使得最終制備得到的產(chǎn)品具有更好的穩(wěn)定性和更高的品質(zhì)。
以上實施例顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，而不是以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的范圍內(nèi)。