[发明专利]长寿命锂硫电池正极及锂硫电池的制备方法

权利要求书

1.一种长寿命锂硫电池正极的制备方法，其特征在于，该正极是以导电高分子聚苯胺为粘结剂，表面覆盖了Li⁺型Nafion树脂，该正极的制备步骤为：

(1)取20g苯胺加入至20mL的浓度为0.5mol/L的盐酸溶液中，混匀得到苯胺溶液；将其移入三口瓶中后放入转子，置于磁力搅拌器上；

取十二烷基苯磺酸钠2g溶解于5.74mL的浓度为1mol/L的盐酸溶液，得到十二烷基苯磺酸钠溶液；将其加入到前述三口瓶中，搅拌均匀；

取过硫酸铵24.47g加入到40mL的浓度为1mol/L的盐酸溶液中，混匀得到过硫酸铵溶液；

将过硫酸铵溶液移至滴定瓶，逐滴加入前述三口瓶中，滴定速度0.5～0.7mL/min；反应2h后经抽滤和80℃干燥24h，得到导电聚苯胺；

(2)取1g含氮大孔碳载硫材料，与0.1～0.3g导电聚苯胺混合并研磨均匀，再加入2g N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为分散剂，调制成糊状后均匀地涂覆到铝膜上，在真空下70℃烘干2小时，得到聚苯胺修饰硫电极；

(3)取10g LiOH加入至100mL的5wt％全氟磺酸树脂溶液中，搅拌30分钟后，离心分离掉过剩的LiOH，得到Li⁺型全氟磺酸树脂溶液；将前述聚苯胺修饰硫电极浸渍于Li⁺型全氟磺酸树脂溶液中2小时，取出晾干，得到长寿命锂硫电池正极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氮大孔碳载硫材料是利用三聚氰胺与葡萄糖缩聚，以纳米聚苯乙烯为模板，一次加热处理得到的；具体步骤为：

(1)取三聚氰胺10g加热至80℃后溶解于50mL的5wt％的稀盐酸中；取5～50g葡萄糖溶解于5～50mL去离子水中，将三聚氰胺溶液加入葡萄糖溶液中，使三聚氰胺与葡萄糖的质量比为1∶0.5～5；混合溶液置于90℃水浴中充分搅拌；反应45分钟后液体粘度增大，颜色由乳白经浅黄变为红褐色后冷却，得到葡萄糖三聚氰胺预聚体溶液；

(2)将5～10g的聚苯乙烯溶解于40mL乙酸乙酯中作为分散相A，同时配制100mL含有30wt％的十二烷基磺酸钠的无水乙醇溶液作为连续相B，将分散相A和连续相B通过均质器在8000rpm条件下搅拌混匀，制备出乳状溶液C；将乳状溶液C转移至超声波清洗器中，超声处理15min得到聚苯乙烯悬浮液；

(3)将聚苯乙烯悬浮液均匀分散于葡萄糖三聚氰胺预聚体溶液中，85℃水浴加热下搅拌反应50分钟，然后喷雾干燥，得到含氮大孔碳前驱体；

(4)氮气氛下，将含氮大孔碳前驱体以10℃/min的速度从室温升温至160℃后，保温2小时，进行葡萄糖三聚氰胺深度聚合；然后以10℃/min的速度升温至900℃后，保温2小时，进行碳化；冷却后取出，球磨后得到黑色的含氮大孔碳；

将单质硫与含氮大孔碳按质量比为7∶3机械混合均匀，置于316不锈钢材质的反应器内，将反应器抽真空后加热至80℃，反应5小时后完成硫的担载；将反应产物冷却至25℃，制得含氮大孔碳载硫材料。

3.利用权利要求1所述方法得到的正极制备锂硫电池的方法，其特征在于，该锂硫电池的组装步骤为：

将长寿命锂硫电池正极切割成直径为18mm的圆片，置于市贩扣式电池外壳中，使正极的基材铝膜与电池外壳接触；将直径为19mm的市贩微孔聚丙烯隔膜置于正极之上，取表面氮化处理的锂负极置于聚丙烯隔膜之上，金属锂片的含氮化锂层朝向隔膜；再垫上直径为18mm、厚1mm、空隙率为98％的泡沫镍片后，加入0.2mL电解液，再封装密封圈和电池盖实现密封，得到扣式锂硫电池；

所述电解液以Li[CF₃SO₂)₂N]为溶质，以二氧戊环和乙二醇甲醚的混合物为溶剂，二氧戊环和乙二醇甲醚的体积比为1∶1，每升电解液中含一摩尔Li[CF₃SO₂)₂N]。

4.根据权利要求3所述的制备锂硫电池的方法，其特征在于，所述表面氮化处理的负极的制备方法为：氩气氛保护下，以10Kg/cm²的压力将金属锂片压到铜膜上，形成直径为18mm的负极；将复合了金属锂片的铜膜置于纯度99.999％高纯氮气氛中，在25℃下处理1小时，在无铜膜覆盖的金属锂片表面形成氮化锂层，得到负极。