一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法技術

一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，屬于能源材料領域。所述方法具體為（1）將多孔材料同硫進行混合得到熱處理前的粉狀混合物；（2）將得到的熱處理前的粉狀混合物，用模具壓實，得到熱處理前的塊狀混合物；（3）將得到的熱處理前的塊狀混合物，在反應容器內熱處理，并隨后冷卻，得到熱處理后的塊狀復合物；（4）將熱處理后的塊狀復合物研碎并篩分，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。本發明專利技術的優點是：通過壓實?熱處理?研碎的方式可以顯著提高鋰硫電池正極材料的振實密度。壓力下的多孔材料和硫可以更致密的接觸，因此在熱處理過程中可以使硫均勻分布在多孔材料內部。

A preparation method of cathode material for lithium-sulfur batteries with high vibration density and high bulk energy density

A preparation method of cathode material for lithium sulfur batteries with high vibration density and high volume energy density belongs to the field of energy materials. The method is as follows: (1) mixing porous materials with sulphur to obtain powder mixture before heat treatment; (2) compacting the powder mixture before heat treatment with a die to obtain the bulk mixture before heat treatment; (3) heat treating the obtained bulk mixture before heat treatment in a reaction vessel and then cooling to obtain the bulk composite after heat treatment; (4) By grinding and sieving the heat-treated bulk composites, the cathode materials for lithium-sulfur batteries with high vibration density and high bulk energy density were obtained. The advantages of the present invention are that the compaction density of the cathode material of lithium sulfur battery can be significantly increased by compaction, heat treatment and grinding. Porous materials and sulphur can contact more closely under pressure, so sulphur can be uniformly distributed in porous materials during heat treatment.

【技術實現步驟摘要】
一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法
本專利技術屬于能源材料領域，具體涉及一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法。
技術介紹
鋰硫電池由于其理論比能量高達2600Wh/kg，是現有的鋰離子電池的5倍以上。此外由于硫的造價便宜及環境友好等特點，鋰硫電池得到了廣泛的關注和研究。然而由于鋰硫電池中使用單質硫作為正極活性材料，而硫極低的電導率使得其需要借助大量的多孔碳制備正極材料，從而從反應動力學層面提高鋰硫電池的放電能力。然而由于多孔碳材料擁有豐富孔隙結構，導致制備的鋰硫電池正極材料的振實密度（0.2~0.5g·cm-3）普遍只有當前鋰離子電池正極材料振實密度（2~4g·cm-3）的1/4~1/10。因此雖然鋰硫電池擁有較高的理論質量比能量，但是其體積比能量同鋰離子電池相比沒有競爭力。鋰硫電池的這一特性便限制了其在有特定尺寸要求的便攜式儲能領域的發展。為了提高現有鋰硫電池正極材料的體積能量密度，使得電極材料做到致密化儲能，就要在保證充放電能力的前提下盡可能提高鋰硫電池正極材料的振實密度，因此如何獲得擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料是實現這一目的的關鍵。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決現有的鋰硫電池體積比能量較低的問題，提供一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，制備的正極材料可以將現有的低振實密度的鋰硫電池正極材料的密度提升1.5~3倍，并且保持良好的電化學活性，擁有較高的體積能量密度。為實現上述目的，本專利技術采取的技術方案如下：一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，所述的方法按以下步驟實現：步驟一：首先將碳材料與升華硫按照1：0.5~9的質量比混合，得到熱處理前的粉狀混合物；步驟二：將步驟一得到的粉狀混合物，裝填至模具中，并以1~30MPa的壓力壓實20分鐘，脫模，得到熱處理前的塊狀混合物；步驟三：將步驟二得到的塊狀混合物，在反應爐內以120~300℃加熱2~48小時使硫熔融，隨后自然冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物；步驟四：將步驟三得到的塊狀復合物利用機器研碎后過50~800目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。本專利技術相對于現有技術的有益效果是：（1）通過壓實-熱處理-研碎的方式可以顯著提高鋰硫電池正極材料的振實密度。（2）壓力下的多孔材料和硫可以更致密的接觸，因此在熱處理過程中可以使硫均勻分布在多孔材料內部。（3）本專利技術制備的材料擁有很高的電化學活性，因此其擁有較高的體積能量密度，可達1552mAh·cm-3。（4）塊狀復合物可以極大的方便材料的運輸，避免生產加工過程中產生粉塵，因此本專利技術生產的正極材料可以極大改善生產過程中的工作條件，保護環境。附圖說明圖1為本專利技術制備的復合后的塊狀復合物的數碼照片；圖2為普通熱處理方式制備的鋰硫電池正極材料和本專利技術制備的鋰硫電池正極材料在相同2g質量下的體積對比圖；圖3為本專利技術制備的鋰硫電池正極材料的掃描電鏡圖；圖4為本專利技術制備的鋰硫電池正極材料在0.2C的充放電循環曲線圖；圖5為本專利技術制備的鋰硫電池正極材料在0.2C的充放電曲線圖。具體實施方式下面結合實施例對本專利技術的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本專利技術技術方案進行修正或等同替換，而不脫離本專利技術技術方案的精神范圍，均應涵蓋在本專利技術的保護范圍之中。具體實施方式一：本實施方式記載的是一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，所述的方法按以下步驟實現：步驟一：首先將碳材料與升華硫按照1：0.5~9的質量比混合，具體可通過球磨機、研磨機、混料機、攪拌機、磨粉機等方式混合均勻，得到熱處理前的粉狀混合物；所述的球磨機購自儒瑞科技，型號為KE-1L；研磨機購自TRILOS公司，型號為TR120A；混料機購自沈陽北騰化工機械公司，型號為LHY-0.25；攪拌機購自常州中實三水機械科技，型號為AL；磨粉機購自常州中實三水機械科技，型號為TCM160；步驟二：將步驟一得到的粉狀混合物，裝填至模具中，并以1~30MPa的壓力壓實20分鐘，脫模，得到熱處理前的塊狀混合物；所述的模具為圓柱形模具，表面粗糙度為3.2，購自天津市科器高新技術公司，型號為MJ-20mm；步驟三：將步驟二得到的塊狀混合物，在反應爐內以120~300℃加熱2~48小時使硫熔融，隨后自然冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物；步驟四：將步驟三得到的塊狀復合物利用機器研碎后過50~800目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。所述的用于研碎的機器可以是壓碎機、破碎機、粉碎機、球磨機。所述的壓碎機購自曲阜鼎翔商貿有限公司，型號為DX-12-20；破碎機購自成都恒榮鑫元亨機械設備有限公司，型號為1000#；粉碎機購自雙陰市雙誠藥化機械有限公司，型號為WF-B；球磨機購自儒瑞科技，型號為KE-1L。具體實施方式二：具體實施方式一所述的一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，步驟一中，所述的碳材料為活性炭、多孔碳、碳納米管、石墨烯、摻雜碳、柯琴黑、乙炔黑中的一種或者幾種。表1為普通熱處理方式制備的鋰硫電池正極材料和本專利技術制備的鋰硫電池正極材料的電極密度及體積比容量的統計數據表；表1實施例1：（1）首先將活性炭與升華硫按照1:0.5的質量比混合。通過球磨機將混合物混合均勻，得到熱處理前的粉狀混合物。（2）將步驟（1）中得到的熱處理前的粉狀混合物，裝填至模具中，并按照1MPa的壓力壓實，并隨后脫模，得到熱處理前的塊狀混合物。（3）將步驟（2）獲得的熱處理前的塊狀混合物，在反應容器內以120oC，2小時下加熱至硫熔融，并隨后冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物。（4）將步驟（3）獲得的熱處理后的塊狀復合物，在壓碎機下研碎并通過50目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。實施例2：（1）首先將多孔碳與升華硫按照1:9的質量比混合。通過混料機將混合物混合均勻，得到熱處理前的粉狀混合物。（2）將步驟（1）中得到的熱處理前的粉狀混合物，裝填至模具中，并按照10MPa的壓力壓實，并隨后脫模，得到熱處理前的塊狀混合物。（3）將步驟（2）獲得的熱處理前的塊狀混合物，在反應容器內以170oC，24小時下加熱至硫熔融，并隨后冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物。（4）將步驟（3）獲得的熱處理后的塊狀復合物，在粉碎機下研碎后并通過800目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。實施例3：（1）首先將石墨烯和乙炔黑兩種與升華硫按照1:4的質量比混合。通過研磨機將混合物混合均勻，得到熱處理前的粉狀混合物。（2）將步驟（1）中得到的熱處理前的粉狀混合物，裝填至模具中，并按照30MPa的壓力壓實，并隨后脫模，得到熱處理前的塊狀混合物。（3）將步驟（2）獲得的熱處理前的塊狀混合物，在反應容器內以300oC，12小時下加熱至硫熔融，并隨后冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物。（4）將步驟（3）獲得的熱處理后的塊狀復合物，在球磨機下研碎后并通過400目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。實施例4：（1）首先將碳納米管和摻本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述的方法按以下步驟實現：步驟一：首先將碳材料與升華硫按照1：0.5~9的質量比混合，得到熱處理前的粉狀混合物；步驟二：將步驟一得到的粉狀混合物，裝填至模具中，并以1~30?MPa的壓力壓實20分鐘，脫模，得到熱處理前的塊狀混合物；步驟三：將步驟二得到的塊狀混合物，在反應爐內以120~300℃加熱2~48小時使硫熔融，隨后自然冷卻至室溫，得到熱處理后的塊狀復合物；步驟四：將步驟三得到的塊狀復合物利用機器研碎后過50~800目篩網，得到擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料。

【技術特征摘要】
1.一種擁有高振實密度及高體積能量密度的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述的方法按以下步驟實現：步驟一：首先將碳材料與升華硫按照1：0.5~9的質量比混合，得到熱處理前的粉狀混合物；步驟二：將步驟一得到的粉狀混合物，裝填至模具中，并以1~30MPa的壓力壓實20分鐘，脫模，得到熱處理前的塊狀混合物；步驟三：將步驟二得到的塊狀混合物，在反應爐內以120~300℃加熱2~4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫克寧，程俊涵，張乃慶，范立雙，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23