一種基于氧化石墨烯薄膜修飾的鋰硫電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰硫電池,尤其是一種氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極的鋰硫電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]與市場上主流的鋰離子電池相比,鋰硫電池擁有前者2飛倍的理論能量密度,因而對鋰硫電池的研究不斷深入,然而,鋰硫電池仍然存在容量下降劇烈、能量效率低的問題,其主要原因是活性物質硫的損失;一方面,在充放電過程中,不可避免的存在“氧化穿梭效應”,即在硫電極產(chǎn)生的多硫化物會擴散至電解液中,從而導致容量的下跌;當多硫化物擴散至鋰負極時,它們會與鋰金屬反應生成Li2Sx,與此同時,部分還原產(chǎn)物Li2S4會擴散回到硫電極并進一步反應;另一方面,多硫化物與鋰金屬反應的最終還原產(chǎn)物Li2S2和Li 2S2均不具有導電性,部分產(chǎn)物還會沉積在鋰金屬表面,從而失去電化學活性形成“死鋰”,導致部分硫的損失;受“氧化穿梭效應”和“死鋰”的限制,鋰硫電池的容量下降劇烈,很難在300個循環(huán)以后仍然保持較高的比容量,因而鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性差,能量效率低,使用壽命短的根本原因在于活性物質硫的損失,這也是鋰硫電池很難市場化的一個重要原因。
【發(fā)明內容】
[0003]為解決上述問題,本發(fā)明提供了一種基于氧化石墨烯薄膜修飾的硫電極的鋰硫電池及其硫電極制備方法。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,一種鋰硫電池,包括硫電極、鋰金屬電極以及設置在所述硫電極和鋰金屬電極之間的隔膜和電解液,其特征在于:所述的硫電極為通過氧化石墨薄膜稀修飾的硫電極(M-G0硫電極)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的鋰硫電池,其特征在于:所述硫電極中的活性材料為通過溶液法或其他方法制備的碳硫復合物,制備方法可見參考文獻為L.-X.Miao,W.-K.Wang, A.-B.Wang, K.-G.Yuan, Y.-S.Yangb, J Mater Chem A, I (2013) 11659-11664。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的硫電極,其特征在于:用于修飾的硫電極為碳硫復合物與導電劑,粘合劑按照一定比例的混合并涂布制備;其中,粘合劑在碳硫復合物、導電劑和粘合劑總質量中的百分比為5~15%,導電劑在碳硫復合物、導電劑和粘合劑總質量中的百分比為5~15%,碳硫復合物在碳硫復合物、導電劑和粘合劑總質量中的百分比為70^90%ο
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的硫電極,其特征在于:所述粘合劑為聚偏氟乙烯,聚丙烯酸以及羧甲基纖維素鈉中的一種;所述導電劑為乙炔黑或氧化炭黑。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極的制備方法,其特征在于由以下幾個步驟完成:
(I)將碳硫復合物與導電劑,粘合劑按照比例研磨混合,溶于N-甲基吡咯烷酮制備漿料涂布于集流體,干燥后制備得到用于修飾的硫電極。
[0009](2)制備氧化石墨烯,溶于乙醇中,濃度為0.5~5mg/mL。
[0010](3)將步驟⑵配置的氧化石墨烯的乙醇溶液均勻滴加在步驟(I)中制備的修飾的硫電極表面,在50攝氏度到120攝氏度烘干。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的氧化石墨烯,其特征在于:所述的氧化石墨烯以石墨或炭黑為原料。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的氧化石墨烯,其特征在于:所述的氧化石墨烯以濃硫酸和高錳酸鉀為氧化劑,反應5天到7天后用鹽酸清洗,清洗干凈后在50攝氏度下超聲3~9小時。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的氧化石墨烯溶液,其特征在于:所述的氧化石墨烯溶液為氧化石墨烯的乙醇溶液,濃度為0.5~5mg/mL。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一實施方式,所述的氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極,其特征在于:所述的氧化石墨烯薄膜厚度根據(jù)氧化石墨烯的乙醇溶液濃度和滴加量控制,一般控制在1~30nmD
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式,一種制備鋰硫電池的方法,其特征在于:包括如下步驟:
制備用于修飾的硫電極的步驟,制備氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極的步驟,以及制備扣式電池或軟包裝電池的步驟。
[0016]本發(fā)明提供了一種基于氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極的鋰硫電池及其硫電極制備方法,通過這種簡單有效的滴定法,在用于修飾的硫電極表面上制備一層厚度可控的氧化石墨烯薄膜,阻擋多硫化物在充放電過程中擴散到電解液中,削弱“氧化穿梭效應”,提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性,能量效率和使用壽命。
[0017]本發(fā)明制備的氧化石墨薄膜烯修飾的硫電極,以此氧化石墨烯薄膜修飾的硫電極為正極制備的裡硫電池具有循環(huán)穩(wěn)定性好,能量效率尚,使用壽命長的特點;本發(fā)明制備的氧化石墨烯薄膜修飾硫電極的鋰硫電池性能測試,以本領域常規(guī)的方法,即組裝成扣式半電池或全電池進行充放電測試考察。
【附圖說明】
[0018]
圖1為實施例1的用于修飾硫電極的表面橫截面的形貌圖。
[0019]圖2為實施例2的氧化石墨烯薄膜修飾的硫電極的表面橫截面的形貌圖。
[0020]圖3為實施例3的氧化石墨烯薄膜修飾的硫電極的循環(huán)次數(shù)-放電容量曲線。
[0021]圖4為實施例3的氧化石墨烯薄膜修飾的硫電極的倍率性能曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面,結合【具體實施方式】對本發(fā)明一種基于氧化石墨稀薄膜修飾的硫電極的鋰硫電池及其制備方法做詳細說明。
[0023]在本發(fā)明實施方式中的碳硫復合材料為核殼結構,但本申請的碳硫復合材料不限于核殼結構,還可以為介孔碳、碳納米管或其它可包覆硫的碳客體材料。
[0024]本發(fā)明的實施方式中,所述的碳硫復合材料為CB0S,其制備方法為溶液法。
[0025]實施例1用于修飾的硫電極的制備
將碳硫復合物,粘結劑,導電劑按照一定比例混合并球磨30分鐘制備用于修飾的硫電極。
[0026]其中,粘合劑為聚偏氟乙烯,在用于修飾的硫電極中的比例為5% ;導電劑為氧化炭黑,在用于修飾的硫電極中的比例為10%。
[0027]對以上方法制備的用于修飾的電極片進行形貌表征,SEM圖如圖1所示,Ca)為表面形貌圖,(b)為橫截面的形貌圖;根據(jù)形貌圖(a)可以看出,活性材料勻均的分布在集流體鋁箔上,根據(jù)形貌圖