基于碳化蚕丝织物的柔性电极和柔性电池制造技术

本发明专利技术提供一种基于碳化蚕丝织物的柔性电极，包含碳化蚕丝织物和与该碳化蚕丝织物复合的电极活性材料。本发明专利技术的柔性电极尤其为柔性锂负极和柔性硫正极。本发明专利技术还提供一种包含该柔性电极的柔性电池，尤其是柔性锂硫电池。本发明专利技术的柔性电极和柔性电池具有以下优点：碳化蚕丝织物的原材料来源广，制备过程简单，绿色环保，成本低；碳化蚕丝织物具有三维空间结构，柔性和导电性良好，且存在丰富的氮氧掺杂结构，对多硫化物和金属锂均具更好的亲和性，可以抑制锂枝晶的生长，抑制多硫化物在锂硫电池中的“穿梭效应”，提高电池的循环稳定性；碳化蚕丝织物的面质量较轻，有利于提高电池的能量密度。

【技术实现步骤摘要】
基于碳化蚕丝织物的柔性电极和柔性电池
本专利技术属于电池
，具体地涉及基于碳化蚕丝织物的柔性电极和柔性电池，更具体地涉及一种包含碳化蚕丝织物的柔性电极，尤其是柔性锂负极和柔性硫正极，以及一种包含该柔性电极的柔性电池，尤其是柔性锂硫电池。
技术介绍
近年来，随着卷轴式显示屏、电子纺织品、软体机器人、物联网系统和生物电子产品等柔性可穿戴电子产品的快速发展与新兴应用，急需开发一种轻薄、可柔软弯折、能量密度高且性能稳定的电池，为各种可穿戴与柔性电子器件提供电源。目前采用金属箔作为集流体的刚性锂离子电池在反复弯折时会出现疲劳断裂以及活性物质剥离，易造成电化学与机械性能衰减；同时锂离子电池采用的层状嵌锂活性材料理论比容量不高，需要使用较厚的电极，故难以实现锂电池优异的柔韧性与高能量密度。锂硫电池作为下一代的锂电池技术，使用硫及金属锂分别作为电池的正负极材料，具有极高比容量(锂：3860mAh/kg；硫：1675mAh/kg)的理论优势，非常适合可穿戴与柔性电子器件产品的应用，引起了国内外的广泛关注。但是，锂硫电池的应用仍面临众多挑战。在负极方面，锂金属充放电过程中巨大的体积变化和锂枝晶生长易导致负极表面SEI膜连续破坏以及电解液的不断消耗；在正极方面，电池使用过程中会发生正极硫溶出现象，产生多硫化物(如Li2S4、Li2S6、Li2S8等)，这些多硫化物可以溶于电解液并穿过电池隔膜，导致活性硫在循环过程中不断损失以及电解液消耗。可见，以上因素均会导致锂硫电池的电化学性能不稳定。采用高比面积柔性导电基材替换金属箔作为集流体，是提高锂硫电池电化学性能与机械柔韧性的一种重要途径。目前锂硫电极柔性集流体基材主要包括两类，一类是碳纳米管、石墨烯、纤维素碳纸，另一类是碳织物。碳纸具有质量轻和导电性较高等特点，可以将锂硫活性物质直接沉积在薄膜碳纸上制备柔性电极，进而可组装轻质柔性锂硫电池，但该类柔性锂硫电池一般能量密度较低、弯折稳定性较差。碳织物具有较高柔韧性、多孔网状结构以及良好的化学稳定性等优势，利用其制备的锂硫电极具有优异的机械柔韧性。国内外研究团队已尝试利用真空抽滤、液体浸渍、电沉积、热熔等方式在碳织物表面负载高活性锂硫物质来实现柔性锂硫电极的制备。但是，商用碳化织物面质量密度较大、对多硫化物和金属锂均具有较差的亲和性，无法有效抑制多硫化物的穿梭效应和锂枝晶生长，往往造成碳织物锂硫电池的电化学与机械稳定性较差。虽然大量前期工作通过表面改性(如异质原子掺杂、金属硫化物修饰、过渡金属涂层等)改善了碳化织物锂硫电池的电化学与机械稳定性，但多数表面改性过程繁琐复杂以及界面稳定性不佳。因此，利用简单有效的方法来实现高性能柔性锂硫电极与全电池仍具有较大的挑战性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的碳化织物和碳化织物锂硫电池存在的上述技术问题，并通过基于碳化蚕丝织物的柔性电极和柔性电池的创新性技术方案实现了上述目的。具体地，在第一方面，本专利技术提供一种柔性电极，该柔性电极包含碳化蚕丝织物和与该碳化蚕丝织物复合的电极活性材料。进一步地，该碳化蚕丝织物通过以下方法制得：在惰性气体保护下，将蚕丝织物在第一温度下进行脱水处理，在第二温度下进行预环化处理，并在第三温度下进行炭化处理，得到该炭化蚕丝织物。更进一步地，在惰性气体保护下，将蚕丝织物在100℃-200℃之间的第一温度下进行脱水处理1-2h，然后在300℃-400℃之间的第二温度下进行环化处理2-3h，然后在950℃-1100℃之间的第三温度下进行碳化处理1-2h，蚕丝织物升温到第一温度、第二温度和第三温度的升温速率独立地为2℃-10℃/min。在本专利技术的柔性电极的一个实施方案中，该电极活性材料为负极活性材料，该负极活性材料为锂金属、硅、石墨或金属氧化物。优选地，该负极活性材料为锂金属，该柔性电极为柔性锂负极。进一步地，该柔性锂负极通过以下方法制备：将该碳化蚕丝织物裁剪为大小合适的碳化蚕丝织物极片，与锂金属电极相匹配，组装为半电池；在电流大小恒定的条件下，将锂金属定量沉积到碳化蚕丝织物极片上；然后取出沉积有锂金属的碳化蚕丝织物极片，用有机溶剂冲洗，干燥，得到该柔性锂负极。进一步地，电流大小在0.1-1mAcm-2的范围内，锂金属的沉积量在1-20mAhcm-2的范围内。在本专利技术的柔性电极的另一些实施方案中，该电极活性材料为正极活性材料，该正极活性材料包含硫元素，该柔性电极为柔性硫正极。进一步地，该柔性电极通过以下方法制备：将硫粉与导电添加剂按照(2-3):1的质量比混合并充分研磨，将研磨好的混合物在惰性气体保护下在150-160℃下进行水热反应12-16h，得到硫复合物；将所得的硫复合物和粘结剂按照(8-9):1的质量比在适量的溶剂中充分混合，得到正极浆料；然后将所得的正极浆料涂覆于该碳化蚕丝织物上，在60℃-80℃下真空干燥12-16h以去除溶剂，得到该柔性电极，即柔性硫正极。进一步地，导电添加剂为乙炔黑、科琴黑、SuperP、SuperC45、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，粘结剂为水系粘结剂或者有机溶剂系粘结剂。在本专利技术的柔性电极的又一些实施方案中，该电极活性材料为正极活性材料，该正极活性材料为镍钴锰三元材料(NCM)、钴酸锂(LCO)、磷酸铁锂(LFP)、镍钴铝三元材料(NCA)、锰酸锂(LMO)、镍酸锂(LNO)中的一种或多种。进一步地，该柔性电极通过以下方法制备：将该正极活性材料与导电添加剂、粘结剂按照(4-9):(1-2):1的质量比在适量的溶剂中混合均匀，得到正极浆料；然后将所得的正极浆料均匀涂覆于该碳化蚕丝织物上，在60℃-80℃下真空干燥12-16h以去除溶剂，得到该柔性电极。进一步地，导电添加剂为乙炔黑、科琴黑、SuperP、SuperC45、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，粘结剂为水系粘结剂或者有机溶剂系粘结剂。在另一方面，本专利技术提供一种柔性电池，其包括电极、隔膜和电解液，该电极包括正极和负极，该隔膜位于正极和负极之间，该电极包括根据本专利技术第一方面的柔性电极。在本专利技术的柔性电池的一些实施方案中，该负极为根据本专利技术第一方面的柔性锂负极。在本专利技术的柔性电池的另一些实施方案中，该正极为根据本专利技术第一方面的柔性硫正极。在本专利技术的柔性电池的又一些实施方案中，该负极为根据本专利技术第一方面的柔性锂负极，该正极为根据本专利技术第一方面的柔性硫正极，该柔性电池为柔性锂硫电池。本专利技术的有益效果：本专利技术以基于蚕丝织物碳化衍生的碳化蚕丝织物作为柔性碳基材料，首次将碳化蚕丝织物应用于制备柔性电极(包括柔性正极和柔性负极)和柔性电池，包括优选的柔性锂负极和柔性硫正极，以及优选的柔性锂硫电池，具有以下有益效果：(1)碳化蚕丝织物的原材料来源广，制备过程简单，绿色环保，成本低。(2)碳化蚕丝织物具有三维空间结构，柔性和导电性良好，且存在丰富的氮氧掺杂结构，与商业碳化织物相比，对多硫化物和金属锂均具更好的亲和性。因此，碳化蚕丝织物用于锂负极，可以降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性电极，其特征在于，所述柔性电极包含碳化蚕丝织物和与所述碳化蚕丝织物复合的电极活性材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性电极，其特征在于，所述柔性电极包含碳化蚕丝织物和与所述碳化蚕丝织物复合的电极活性材料。


2.根据权利要求1所述的柔性电极，其特征在于，所述碳化蚕丝织物通过以下方法制得：在惰性气体保护下，将蚕丝织物在第一温度下进行脱水处理，在第二温度下进行预环化处理，并在第三温度下进行炭化处理，得到所述炭化蚕丝织物；
优选地，在惰性气体保护下，将蚕丝织物在100℃-200℃之间的第一温度下进行脱水处理1-2h，然后在300℃-400℃之间的第二温度下进行环化处理2-3h，然后在950℃-1100℃之间的第三温度下进行碳化处理1-2h，蚕丝织物升温到第一温度、第二温度和第三温度的升温速率独立地为2℃-10℃/min。


3.根据权利要求1或2所述的柔性电极，其特征在于，所述电极活性材料为负极活性材料，所述负极活性材料为锂金属、硅、石墨或金属氧化物；优选地，所述负极活性材料为锂金属，所述柔性电极为柔性锂负极。


4.根据权利要求3所述的柔性电极，其特征在于，所述柔性锂负极通过以下方法制备：将所述碳化蚕丝织物裁剪为大小合适的碳化蚕丝织物极片，与锂金属电极相匹配，组装为半电池；在电流大小恒定的条件下，将锂金属定量沉积到碳化蚕丝织物极片上；然后取出沉积有锂金属的碳化蚕丝织物极片，用有机溶剂冲洗，干燥，得到所述柔性锂负极。


5.根据权利要求4所述的柔性电极，其特征在于，所述电流大小在0.1-1mAcm-2的范围内，所述锂金属的沉积量在1-20mAhcm-2的范围内。


6.根据权利要求1或2所述的柔性电极，其特征在于，所述电极活性材料为正极活性材料，所述正极活性材料包含硫元素，所述柔性电极为柔性硫正极。


7.根据权利要求6所述的柔性电极，其特征在于，所述柔性电极通过以下方法制备：将硫粉与导电添加剂按照(2-3):1的质量比混合并充分...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓永红，常建，安亚楠，王朝阳，罗超，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44