一种高比能一次锂硫电池及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高比能一次锂硫电池及其应用，所述电池包括负极、正极、隔膜和电解液，所述正极由硫碳复合正极材料制成，所述硫碳复合正极材料包含硫单质、导电炭黑和粘结剂，所述电解液包含锂盐、溶剂和稀释剂，所述溶剂为乙腈，所述电解液与硫单质的添加比为(0.2～3)mL:1g。与现有技术相比，本发明专利技术极大程度的抑制了多硫化物的溶解，降低了锂硫电池中电解液的添加，提高了锂硫电池中正极活性物质的利用率，相比于传统的锂离子电池具有极高的能量密度。

A high specific energy primary lithium sulfur battery and its application

【技术实现步骤摘要】
一种高比能一次锂硫电池及其应用
本专利技术涉及锂金属电池
，具体涉及一种高比能一次锂硫电池及其应用。
技术介绍
锂离子电池与人类社会密不可分，广泛应用于人类生产生活的方方面面，在储能电网、移动通讯、电动汽车、航空航天等领域被广泛使用。传统的锂离子电池使用锂金属氧化物(例如钴酸锂LiCoO2、三元材料LiNixCoyMn1-x-yO2)或者磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极，石墨作为负极，电极材料的理论比容量较低，理论能量密度相对较低，限制了锂离子电池在要求高比能和高能量密度的新兴应用领域的广泛应用。锂硫电池使用硫作为正极，锂金属作为负极，由于硫与锂金属分别具有1672mAhg-1与3860mAhg-1的理论比容量，具有接近2600Whkg-1的理论能量密度，引起了人们的广泛关注，被认为是极具应用前景的新一代储能体系。然而，锂硫电池仍然存在很多问题，这些问题限制了锂硫电池的实际应用，首先是锂硫电池中正极硫单质不导电，需要添加大量的导电炭，导致正极活性物质含量较低。其次锂硫电池中的电解液通常为醚类电解液，在这类电解液中，锂硫电池的放电过程分为两个阶段，在第一阶段，硫转化为可溶的多硫化物，溶解在电解液中，导致了较为严重的“穿梭效应”，并且这类电池需要大量的电解液以满足多硫化物的溶解，过量的电解液添加，严重限制了锂硫电池的实际能量密度，使锂硫电池的实际能量密度远低于传统的锂离子电池，难以实现锂硫电池的商业化。专利CN104143614A公开了一种锂硫电池新体系，包括电解液和与之匹配的隔膜。所述电解液为浓度为0.1-3mol/L锂盐溶液，锂盐溶液中的锂盐溶质为氟化锂、氯化锂、溴化锂或碘化锂中的一种或两种以上混合物；溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、四甲基砜、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、乙腈中的一种或两种以上的混合物；所述隔膜为孔径为0.5-10纳米的微孔膜或含有阴离子的致密膜。该专利中，使用浓度较低的锂盐溶液作为电解液，会导致电解液与负极锂金属反应，腐蚀消耗负极金属，并且需要大量的电解液保证多硫的正常溶出，限制了锂硫电池的实际能量密度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种高比能一次锂硫电池及其应用，克服了锂硫电池中正极硫含量低以及电解液添加量高的缺陷。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种高比能一次锂硫电池，所述电池包括负极、正极、隔膜和电解液，所述正极由硫碳复合正极材料制成，所述硫碳复合正极材料包含硫单质、导电炭黑和粘结剂，所述电解液包含锂盐、溶剂和稀释剂，所述溶剂为乙腈，所述电解液与硫单质的添加比(E/S)为(0.2～3)mL:1g。得到的锂硫电池的能量密度为500～1200Whkg-1，其中，负极为锂金属材料，正极为硫碳复合材料与粘结剂组成的柔性自支撑极片，隔膜采用商用隔膜，为Celgard公司生产的2500型隔膜。优选地，所述导电炭黑选自科琴黑、乙炔黑或SuperP中的一种或多种。优选地，所述硫碳复合正极材料中，所述硫单质、导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为(30～95):(3～40):(2～10)。进一步优选地，所述硫单质、导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为50:10:9。优选地，所述硫碳复合正极材料采用以下制备方法制备得到：(a)取硫单质和导电炭黑混合均匀，后在惰性气氛中封闭烧结，得到正极材料前驱体，其中，惰性气氛为氩气气氛；(b)将步骤(a)中得到的正极材料前驱体与粘结剂加入到乙醇中，搅拌均匀至团状，得到正极材料粗产物，其中，粘结剂为聚四氟乙烯分散液；(c)采用辊压机将步骤(b)中得到的正极材料粗产物反复辊压成型，并不断缩小辊压间距，后干燥，得到所述的硫碳复合正极材料。优选地，步骤(a)中，烧结温度为140～170℃，烧结时间为10～14h。优选地，步骤(c)中，干燥过程具体为：先将辊压后的正极材料粗产物悬挂晾干，后在烘箱中置于60～80℃温度下烘干8～18h。优选地，所述锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(以LiTFSI表示)，所述稀释剂为氢氟醚。优选地，所述氢氟醚选自1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚(CAS:16627-68-2)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,2-三氟乙基醚(CAS:406-78-0)、1,1,2,2-四氟乙基乙基醚(CAS:512-51-6)中的一种或多种。优选地，所述电解液中，所述乙腈与锂盐的摩尔比为(1～9):1，所述乙腈与稀释剂的体积比为(4～9):(1～6)。优选地，所述电解液通过以下制备方法得到：首先将乙腈与双三氟甲烷磺酰亚胺锂按照摩尔比配置成为均匀溶液，再加入氢氟醚，混合均匀后静置得到用于一次锂硫电池的电解液。一种高比能一次锂硫电池的应用。该电池可制作成柱状电池、单层软包电池和2032型扣式电池。本专利技术通过制备高硫载量的硫碳正极以及乙腈体系电解液，降低电解液的添加量，实现高比能的一次锂硫电池的制备，制备得到的正极片具有良好的延展性、导电性以及高的活性物质载量，制备得到的电解液具有高的离子电导率，在高温(60℃)以及低温(-40℃)均有良好的倍率性能，制备得到的一次锂硫电池具有极高的能量密度(400～1200Whkg-1)，优异的高温与低温性能，并且表现出了优异的高电流密度下的放电能力。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术一次锂硫电池使用新型体系的电解液，极大程度的抑制了多硫化物的溶解，降低了锂硫电池中电解液的添加，提高了锂硫电池中正极活性物质的利用率，相比于传统的锂离子电池具有极高的能量密度。附图说明图1为实施例1、2和对比例1、2的放电曲线比较图；图2为实施例3和对比例3的放电曲线比较图；图3为实施例4、5和对比例4的放电曲线比较图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种高比能一次锂硫电池，采用以下制备方法制备得到：称取500g硫粉，100g科琴黑混合均匀，在氩气密闭环境中155℃烧结12h，得到正极材料前驱体，将正极材料前驱体和90g聚四氟乙烯分散液(固含量为60％)加入到乙醇溶剂中，混合均匀，得到粉末状正极材料粗产物；将制成的正极材料粗产物在辊压机上反复辊压，得到可延展的正极片，其厚度为0.9mm，后在烘箱中置于60℃温度下烘干12h，再裁剪成为285×37.5×0.9mm大小的极片。将乙腈溶剂与LiTFSI按照摩尔比2:1的比例溶解，取20mL乙腈溶剂，加入55gLiTFSI，搅拌至完全溶解(完全溶解后体积膨胀至约40mL，下同)，取30mL溶解后的混合溶液，并在混合溶液中加入30mL1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚，得到电解液，该电解液在60℃的离子电导率为2×10-3Scm-1，在40℃的离子电导率为1.3×10-3Scm-1，在-40℃的离子电导率为0.2×10-3Scm-1。将正极极片，隔膜与锂带卷绕成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高比能一次锂硫电池，所述电池包括负极、正极、隔膜和电解液，其特征在于，所述正极由硫碳复合正极材料制成，所述硫碳复合正极材料包含硫单质、导电炭黑和粘结剂，所述电解液包含锂盐、溶剂和稀释剂，所述溶剂为乙腈，所述电解液与硫单质的添加比为(0.2～3)mL:1g。/n

【技术特征摘要】
1.一种高比能一次锂硫电池，所述电池包括负极、正极、隔膜和电解液，其特征在于，所述正极由硫碳复合正极材料制成，所述硫碳复合正极材料包含硫单质、导电炭黑和粘结剂，所述电解液包含锂盐、溶剂和稀释剂，所述溶剂为乙腈，所述电解液与硫单质的添加比为(0.2～3)mL:1g。


2.根据权利要求1所述的一种高比能一次锂硫电池，其特征在于，所述导电炭黑选自科琴黑、乙炔黑或SuperP中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的一种高比能一次锂硫电池，其特征在于，所述硫碳复合正极材料中，所述硫单质、导电炭黑和聚四氟乙烯的质量比为(30～95):(3～40):(2～10)。


4.根据权利要求1所述的一种高比能一次锂硫电池，其特征在于，所述硫碳复合正极材料采用以下制备方法制备得到：
(a)取硫单质和导电炭黑混合均匀，后在惰性气氛中封闭烧结，得到正极材料前驱体；
(b)将步骤(a)中得到的正极材料前驱体与粘结剂加入到乙醇中，搅拌均匀，得到正极材料粗产物；
(c)将步骤(b)中得到的正极材料粗产物反复辊压成型，后干燥，得到所述的硫碳复合正...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄云辉，伽龙，靳强，戚孝群，陈筱，杨凤仪，江睿宁，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31