[发明专利]基于强化聚硫离子吸附的导电粘结剂的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及锂硫电池技术，旨在提供一种基于强化聚硫离子吸附的导电粘结剂的制备方法。包括：将去离子水溶解的β‑环糊精加至苯胺溶液中，超声分散、真空干燥后，得到苯胺环糊精包合物；取苯胺环糊精包合物与去离子水配制成溶液；取双氧水滴加在其中，超声分散使相邻苯胺环糊精包合物中的苯胺发生聚合；真空干燥后，得到导电粘结剂。与传统粘结剂相比，本发明产品具有出色的导电性，可以大大降低电极阻抗，使用的粘结剂环保绿色。得到的改性多孔碳具有比表面积大和大孔容的特点，可以担载更多的硫，吸附聚硫化物的能力特别强，碳内壁上弥散分布的铁氧化物有利于抑制聚硫离子穿梭，适合于制备高性能硫电极材料，提高硫电池寿命。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池技术，更具体的说，涉及一种强化聚硫离子吸附的导电粘结剂和强化聚硫离子吸附的改性大孔碳材料，以及基于其导电粘结剂和大孔碳材料的长寿命锂硫电池。

背景技术

锂离子电池中使用的粘结剂，不仅要求粘接剂具有基本功能及性能；如：保证活性物质制浆时的均匀性和安全性；对活性物质颗粒间起到粘接作用；将活性物质粘接在集流体上；保持活性物质间以及和集流体间的粘接作用；有利于在碳材料(石墨)表面上形成SEI膜等，还要求一些专属物理化学性能如：在干燥和除水过程中加热到130～180℃情况下能保持热稳定性；能被有机电解液所润湿；具有良好的加工性能；不易燃烧；对电解液中的电解质稳定；具有比较高的电子离子导电性；用量少，价格低廉。

粘结剂分为水系和油系粘结剂，对应的溶剂是水系的去离子水和油系的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂。油系粘结剂通常为聚偏氟乙烯(PVDF)，是一种具有高介电常数的聚合物材料，具有良好的化学稳定性和温度特性，具有优良的机械性能和加工性，对提高粘结性能有积极的作用，被广泛应用于锂离子电池中，作为正负极粘结剂。水系粘结剂如羟甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、丙烯腈多元共聚物(LA132)、聚丙烯酸丁脂(PBA)和聚丙烯腈(PA)等，对环境无污染、环保，已经成为主流粘结剂。虽然水系粘结剂在一定程度上改善了离子传导能力，但都是绝缘材料，几乎没有任何电子导电能力。

锂硫电池能量密度高，但在工作过程中会产生大量聚硫离子，因为其分子相对较小，大部分聚硫离子在电解液中随着浓度梯度和电场力的作用移动。当长链聚硫离子移动到负极时与锂单质反应生成短链聚硫离子，短链聚硫离子在浓度梯度力和电场力的作用下又移动到正极和硫单质反应重新生成长链聚硫离子，这些聚硫离子在电解液中不停移动，在反应中消耗了大量能量，使得电池反应的实际效率降低。充电过程中，聚硫离子受到的电场力方向相反，由负极指向正极，但正极附近聚硫离子浓度高，浓度梯度力仍由正极指向负极，呈现明显的“穿梭效应”。“穿梭效应”不仅会导致电池充电效率降低，而且活性物质也难以得到充分利用。强化聚硫离子的吸附对于抑制穿梭效应，提高锂硫电池寿命意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于强化聚硫离子吸附的导电粘结剂的制备方法及其应用。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于强化聚硫离子吸附的导电粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)室温下，取2～5g苯胺溶解于98～95mL去离子水中，超声振动分散5分钟后得到浓度为2～5wt％的苯胺溶液；取40mL去离子水溶解2～10g的β-环糊精，加至苯胺溶液中，超声振动分散30分钟，使苯胺分子进入环糊精空腔；真空干燥后，得到苯胺环糊精包合物；

(2)取苯胺环糊精包合物与去离子水，配制成质量浓度为2～5wt％的溶液；取5～20mL质量浓度为3wt％的双氧水，滴加在100mL的苯胺环糊精包合物溶液中，超声振动分散30分钟后，使相邻苯胺环糊精包合物中的苯胺发生聚合，形成贯穿环糊精空腔的线性聚苯胺；真空干燥后，得到导电粘结剂。

本发明中，所述超声振动的频率为40kHz。