正极材料、正极、具有该正极的电池及正极材料制备方法技术

本发明专利技术涉及一种正极材料，具备该正极材料的正极、以及应用该正极的电池以及制备该正极材料的方法。正极材料包括包覆形态的复合物，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。本发明专利技术可以阻止硫在电化学可逆反应中的流失，采用该正极材料的锂硫电池的循环寿命得到了提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种正极材料，尤其涉及一种含有碳和硫的正极材料。本专利技术还涉及一种具有含有碳和硫的正极。本专利技术还涉及一种锂硫电池。本专利技术还涉及一种正极材料的制备方法。
技术介绍
锂电池作为现有技术中的一种高能量密度电池，被业界人员进行了广泛的研究。锂离子电池的能量密度取决于正负极活性材料，特别是正极材料。目前商业化的正极材料都是嵌锂结构化合物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂材料等，其克容量范围在100-150mAh/g，对锂电压在3V-4V之间。硫是自然界常见的化合物，来源广泛成本低廉且易于制取。硫可以和锂发生可逆的化学反应形成硫化锂，因此硫或者硫化锂可以作为正极材料在电池中使用，称为锂硫电池。硫的理论克容量为1672mAh/g，是传统正极材料的10倍，对锂平均电压为2.2V，因此锂硫电池的最大优势就是具有很高的能量密度。但是，硫是一种电子导电性极低的材料，电子导电率仅为5.0X10_14S.cnT1，而作为锂离子电池正极材料,需要较高的电导率,例如钴酸锂的电子导电率> IO^3S.cnT1。过低的电导率将严重影响材料的倍率性能和克容量发挥，为了提高硫的电导率，研究者们做了大量的工作，比如，将硫溶入高比表面的介孔碳CMK中，以此获得纳米尺寸的碳硫复合材料，大幅提高硫正极的电子导电能力，使硫材料在0.1C的充放电速度下达到了 1320mAh/g的容量。这种含单质硫的纳米碳材料，通过下面的方法制备。首先合成SBA-15( —种含硅的硬模板)，然后将SAB-15与蔗糖混合后，在高温下利用纳米煅烧法制备CMK-3 ( 一种介孔碳材料的名称)。通过熔化-扩散法来制备CMK-3/S复合材料，主要是在155度下液化单质硫，利用毛细管作用力将液态硫吸入介孔碳的孔中。这种电极材料与普通的碳硫电极材料相比，具有更小的颗粒尺寸，颗粒之间的表面积大，能够一定程度上解决正极材料的容量损失问题。另外还有一个难以解决的技术问题是:硫在与硫发生反应生成硫化锂的过程中，有许多中种多硫化锂中 间产物如(Li2S8, Li2S6, Li2S4, Li2S3, Li2S2)，这些硫化物包括最终产物硫化锂都极易溶于电解液中，并且穿过隔膜沉积在负极表面，对电池的性能造成不可逆的破坏，如容量衰减、阻抗上升、极化增大等等。前面提到的现有技术中，正极材料采用了纳米结构，但是，由于在电池的充放电过程中，正极活性材料的中间反应产物会在电解液里面溶解流失，导致电池的循环寿命低。
技术实现思路
本专利技术提供一种有效改善离子电导率和电子电导率的正极材料。为实现上述目的之一，本专利技术的技术方案是:一种正极材料，包括包覆形态的复合物，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。优选的，所述复合物还包括包覆于锂离子快导体材料外层的碳材料层。优选的，所述锂离子快导体材料外层中具有碳材料。进一步的，所述锂离子快导体材料与碳材料的质量比范围在3: I到10: I之间。优选的，所述锂离子快导体材料和碳材料的质量与硫化锂的质量比在3%到10%之间。优选的，所述锂离子快导体材料的尺寸范围在10纳米到500纳米之间。优选的，所述硫化锂的尺寸范围在200纳米到30微米之间。优选的，所述碳的尺寸范围在5-50纳米之间。与现有技术相比，本专利技术采用锂离子快导体材料包覆硫化锂的复合材料，材料本身的结构既可以保证正极活性材料具有较高的离子电导率和电子电导率，又可以阻止硫在电化学可逆反应中的流失，从而提高电池的循环寿命。本专利技术还提供一种电池的正极，包括具有包覆形态的复合物的正极材料，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。本专利技术还提供一种电池，包括正极、负极以及设于正极和负极之间的电解质，所述正极包括具有包覆形态的复合物的正极材料，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。本专利技术还提供一种电池的正极材料的制备方法，包括如下步骤:将锂离子快导体材料粉末与硫化锂粉末按照一定比例混合，烧结，使锂离子快导体材料包覆硫化锂；将锂离子快导体材料包覆的硫化锂材料浸泡入作为碳源的有机物溶液，烧结，残留的碳层包覆在锂离子快导体材料包覆的硫化锂材料颗粒外部。优选的，所述锂离子快导体材料粉末与硫化锂粉末的烧结温度在400度到900度之间，压强为常压，并采用惰性气体保护。优选的，所述锂离子快导体材料粉末与硫化锂粉末的烧结时间在I到6小时之间。优选的，所述锂离子快导体材料与碳材料的质量比范围在3: I到10: I之间。优选的，所述锂离子快导体材料和碳材料的质量与硫化锂的质量比在3%到10%之间。优选的，所述锂离子快导体材料的尺寸范围在10纳米到500纳米之间。优选的，所述硫化锂的尺寸范围在200纳米到30微米之间。优选的，所述碳的尺寸范围在5纳米到50纳米之间。本专利技术还提供一种电池的正极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤:将硫化锂粉末，锂离子快导体材料以及作为碳源的有机物粉末混合在一起，烧结，使锂离子快导体材料和碳材料包覆于硫化锂外部。优选的，所述锂离子快导体材料粉末与硫化锂粉末的烧结温度在400度到900度之间，压强为常压，并采用惰性气体保护。附图说明下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术正极材料具体实施例的结构示意图。图2是本专利技术正极材料另一个具体实施例的结构示意图。其中，10硫化锂20锂离子快导体材料 30碳40锂离子快导体材料50碳具体实施方式一种应用于电化学装置中的材料，具有碳和硫的基本构成。电化学装置包括但不仅限于电池。应用此种材料的电池，可被应用于比如便携式电子装置、电动工具、电动汽车等领域。正极材料具有至少两层材质颗粒，材质颗粒以外层包覆内层的结构形式存在。外层材料至少包括锂离子快导体材料和碳。内层材料至少包括硫化锂。硫化锂的平均尺寸范围是200纳米到30微米，锂离子快导体材料的颗粒尺寸范围是10纳米到500纳米。碳的颗粒尺寸范围小于50纳米。锂离子快导体材料与碳的质量比范围在3: I到10: I之间。锂离子快导体材料与碳共同作为包覆层时，包覆层与硫化锂层的质量比在3%到10%之间。锂离子快导体材料(Lithium Super 1nic Conductors)选自具有如下名称的化合物中至少一种:锂镧钛氧复合物(LLTO)、具有NASIC0N结构的锂离子导体(NASICON, Na3Zr2Si2PO12)、LISICON 结构的锂离子导体(LISICON, Li14ZnGeO4)、硫化结晶锂离子导体(Thio-LISICON)、石槽石(Garnet)、锂离子导体微孔氧化物(L1-1onconductor-mesoporous oxide)、硫化玻璃(Sulfide glass)、氮憐酸锂(LiPON)、硼氢化锂(LiBH4)。在材料颗粒表面包覆导电碳层是一项较为成熟的技术，已经在锂离子电池正极材料LiFePO4的合成中广泛应用。通常的包覆碳的具体操作是，将待包覆的材料投入一定比例的蔗糖溶液中搅拌分散后烘干，得到蔗糖包覆的前驱体，然后将前驱体在500度下焙烧，蔗糖会裂解生成碳单质，二氧化碳和水等气体。气体会在烧结的过程中逸出，碳单质则会包裹在材料表面。本专利技术所叙述的实施例，是为了更详细地阐述本专利技术的内容实质。本专利技术的实现并不局限于下面所列的实施例，对本专利技术所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正极材料，其特征在于：所述正极材料包括包覆形态的复合物，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。

【技术特征摘要】
2011.12.14 CN 201110418192.41.一种正极材料，其特征在于:所述正极材料包括包覆形态的复合物，所述复合物具有硫化锂内层和锂离子快导体材料的外层。2.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于:所述复合物还包括包覆于锂离子快导体材料外层的碳材料层。3.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于:所述锂离子快导体材料外层中具有碳材料。4.根据权利要求2或3所述的正极材料，其特征在于:所述锂离子快导体材料与碳材料的质量比范围在3:1到10:1之间。5.根据权利要求4所述的正极材料，其特征在于:所述锂离子快导体材料和碳材料的质量与硫化锂的质量比在3%到10%之间。6.根据权利要求1所述的正极材料，其特征在于:所述锂离子快导体材料，是选自如下化合物中至少一种:锂镧钛氧复合物、LISICON结构的锂离子导体、NASIC0N结构的锂离子导体、硫化结晶锂离子导体、石榴石、锂离子导体微孔氧化物、硫化玻璃、氮磷酸锂、硼氢化锂。7.—种电池的正极,包括如权利要求1-6中任...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璞，刘昊，
申请(专利权)人：苏州宝时得电动工具有限公司，陈璞，
类型：发明
国别省市：