[发明专利]一种锂硫电池的镍硫正极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池的镍硫正极及其制备方法，属于硫锂电池领域。

背景技术

锂离子电池因其容量大、可快速充放电等优点已广泛应用于能量储存、便携式移动设备等领域，但是随着社会的发展，其能量密度小、成本高等劣势也日益凸显，已无法满足人们的需求。研究表明，单质硫的理论比容量高达1675mAh/g，为现有已经商业化的钴酸锂材料的6倍，锰酸锂材料的11倍，而锂硫电池的理论能量密度更是达到2600Wh/kg，远高于其他二次电池。单质硫是目前已知的比容量最高的正极材料。同时，单质硫的生产成本较低，具有低毒性，发展锂硫电池已成为锂离子电池发展的一种趋势。

当前限制锂硫电池发展的主要因素是单质硫不导电，且活性物质易发生损耗和侵蚀，中间反应产物进入电解液，导致电解液导电性降低，造成电池的循环稳定性差。现有锂硫电池研究也表明，改善正极含硫复合材料是发展锂硫电池的关键所在。人们过往对锂硫电池正极的研究也是主要集中在硫碳复合材料、有机硫化物、金属二元硫化物等方面，但是取得的效果均不够理想。因此，研究锂硫电池的重点就在于如何改善材料的导电性、提高活性物质的利用率以及抑制中间产物的溶解，以提高电池的循环稳定性。泡沫金属片因其导电及多孔的特性，孔隙率高、比表面积大、比强度好，在电极材料的应用中具有广阔的发展前景。中国专利CN103219491A公开了一种硫化铜正极及其制备方法，在155℃～350℃温度下使单质硫在泡沫铜上原位合成硫化铜，制得多孔硫化铜正极，循环性能良好。但是充放电性能测试显示首次放电比容量较低，仅为558mAh/g。Weng W（Advanced Materials(2013),25(11):1608～1615）报道了用硫代硫酸钠溶液和盐酸溶液进行化学反应生成硫，并且和碳复合，制备硫/碳复合正极材料的方法，使电池的充放电效率得到提升。但是其循环稳定性一般，且电极制备中需要制浆、涂布工艺，相对比较复杂，成本较高，且对环境污染较大。

发明内容

本发明针对现有技术中的硫正极存在导电性低、循环稳定性差、毒性大的缺陷，目的是在于提供一种具有较高循环稳定性、且毒性小的镍硫正极，该镍硫正极无需涂布工艺，降低了使用成本。

本发明的另一目的是在于提供一种简单、快速制备所述镍硫正极的方法，该方法原料易得，生产成本低，可以工业化生产。

本发明提供了一种锂硫电池的镍硫正极，该镍硫正极由单质硫均匀包覆在泡沫镍的网状骨架表面构成的网状多孔结构；所述的网状多孔结构由硫代硫酸钠和盐酸发生反应生成的单质硫吸附在泡沫镍的网状骨架表面制得；其中，单质硫与泡沫镍的质量比为1～7:5。

所述的反应是将浓度为0.1～0.25g/mL的硫代硫酸钠溶液和浓度为3～7mol/L的盐酸溶液以体积比7:1～4进行反应。

所述的硫代硫酸钠溶液和盐酸溶液以优选的体积比7:3进行反应。

所述的泡沫镍金属片面密度为350g/m²或500g/m²。

本发明还提供了一种锂硫电池的镍硫正极的制备方法，该制备方法是将泡沫镍金属片放入浓度为0.1～0.25g/mL的硫代硫酸钠溶液中进行超声分散，在所得分散液中滴加浓度为3～7mol/L的盐酸溶液进行反应，同时超声分散；反应完成后，将覆硫泡沫镍清洗、干燥，于90～155℃下进行真空热处理，即得；所述的硫代硫酸钠溶液与盐酸溶液体积比为7:1～4。

所述的硫代硫酸钠溶液与盐酸溶液体积比优选为7:3。

所述的反应时间为5～10min。

所述的真空热处理真空度小于60Pa。

所述的真空热处理时间为1～5h。

所述的泡沫镍金属片面密度为350g/m²或500g/m²。

所述的泡沫镍金属片为直径为8～10毫米圆形金属片。

本发明的锂硫电池的镍硫正极的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）：将泡沫镍用裁片机裁成直径为8～10毫米圆形泡沫镍金属片；

步骤（2）：将步骤（1）所得的圆形泡沫镍金属片放入浓度为0.1～0.25g/mL硫代硫酸钠溶液中超声振荡10～15分钟，然后滴加浓度为3～7mol/L的盐酸溶液进行化学反应，同时超声振荡5～10分钟；反应完成后，取出覆硫泡沫镍放入水中清洗5～10分钟，干燥；其中，硫代硫酸钠溶液和盐酸溶液的体积比为7:1～4；