[发明专利]一种碳纤维增强高载量硫电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种碳纤维增强高载量硫电极的制备方法。

背景技术

高载量硫电极对提高锂硫、镁硫、钠硫等电池的能量密度有重要作用。然而现阶段难以实现高载硫量硫正极的制备，其中最主要原因在于极片烘干过程中会出现活性物质开裂、与集流体脱离等现象，无法获得完整的电极极片；另一方面，当硫载量高时，同样倍率下的单位面积电流密度会大大增加，表面硫粒子会很快转化为金属硫化物从而阻碍内部硫颗粒的进一步还原，使硫的利用率低，导致了极化大和放电比容量低；最后，硫和金属硫化物的密度不同会造成体积膨胀效应，也就是硫在充放电过程中电极结构的不断收缩和膨胀，导致结构的破坏，从而影响电池循环性能。

为解决高载量硫正极制备困难的问题，研究者们进行了大量的实验，设计了若干方案：（1）在锂硫电池中使用多硫正极溶液Li₂S₆或Li₂S₈，由于Li₂S₆和Li₂S₈在电解液中的溶解度较高，可实现高载量的硫正极制备。但是目前没有商业化的Li₂S₆和Li₂S₈成品出售，该活性材料需以Li₂S和S作为原料制备，合成工艺复杂，成本较高；另一方面，Li₂S₆和Li₂S₈和Li负极在阳极表面反应形成不可逆循环的Li₂S₂/Li₂S，导致活性物质的利用率低，自放电严重，不利于比容量的发挥。（2）使用可以发生交联反应的粘结剂。例如瓜尔多胶-黄原胶粘结剂，可以更好的粘结正极材料，然而改性后的正极材料硫载量仍小于8 mg/cm²。（3）利用相转变技术改性粘结剂性能。例如将正极片涂覆后进行冰浴处理，使PVDF粘结剂发生相转变从而起到更好的粘结效果。然而这种方法对载硫量的提高程度有限。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前高载量硫正极制备困难、硫载量高时极化大和放电比容量低以及体积膨胀效应的问题，提供一种碳纤维增强高载量硫电极的制备方法，制得的电池正极具有较好的完整性和导电性，与集流体结合力强，利于提高锂硫、镁硫、钠硫电池的比能量、倍率性及循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种碳纤维增强高载量硫电极的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将粘结剂配置成1~5wt.%的溶液，搅拌均匀后待用；

步骤二：将5 g碳纤维材料分散在100mL丙酮中，在40 ℃温度下处理12 h，取出，清洗干净，在50℃温度下干燥12 h待用；

步骤三：将硫正极材料、Super P、步骤二处理过的碳纤维及步骤一制备的粘结剂溶液按照（50~75）：（5~30）：10:10的质量比混合并搅拌8 h，得到浆料；

步骤四：将步骤三得到的浆料采用刮刀法均匀涂覆在集流体上，涂覆厚度为1000 μm～3000 μm，涂覆后，干燥，即得到电极。

一种上述方法制备的碳纤维增强高载量硫正极可用于锂硫电池、镁硫电池或钠硫电池。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、本发明采用直接在浆料中添加碳纤维的方法，工艺简单容易实现，可以批量生产。

2、由于碳纤维具有较高的杨氏模量，在水和有机溶剂中均不溶不胀，可有效抑制电极在烘干过程中材料的开裂，能实现高载硫量的正极的制备。

3、由于碳纤维具有较高的电导率，利于电子的传输，所以本发明制备的硫正极可获得优异的循环稳定性，900次循环后容量仍可达945mAh/g。

4、由于碳纤维具有较高的杨氏模量，可有效缓解电极的体积膨胀效应，从而提升循环性能。

5、本发明在配制浆料过程中加入碳纤维，作为电极结构稳定增强组分，制备出了高载量的硫电极，电极的硫面载量可高达45 mg/cm²。

附图说明

图1为实施例1制备的碳纤维扫描电子显微镜照片；

图2为实施例1制备的碳纤维增强高载量硫正极的光学照片；

图3为实施例2制备的碳纤维增强高载量硫正极平面的扫描电子显微镜照片；

图4为实施例3制备的碳纤维增强高载量硫正极截面的扫描电子显微镜照片；