一种具有三明治结构的导电聚合物/硫复合正极材料的制备方法与流程

本发明属于电极材料制备技术领域，具体涉及一种具有三明治结构的导电聚合物/硫复合正极材料的制备方法。

背景技术：

随着科技的飞速发展，人们对移动电子设备提出了诸多要求：更安全、更快捷、电池容量更大、待机时间更长，而传统锂离子电池正极材料例如磷酸铁锂等，具有较低的理论比容量，限制了进一步的发展。锂硫电池因其具有很高的比容量(1673mAh*g^-1)和能量密度(2600Wh*kg^-1)引起了人们的广泛关注。但是，以单质硫为正极材料的锂硫电池的以下缺点阻碍了其商业化的步伐：

1.单质硫的绝缘性。单质硫在室温下为电子和离子的绝缘体,在室温下的电子传导率为5×10^-30S cm^-1，离子传导率为～10^-15，导致锂硫电池内阻增加，活性物质利用率低。因此在制作电极时需要添加大量的导电剂(如乙炔黑、科琴黑)，使电极体系的能量密度有所降低。

2.聚硫化合物的溶解。电化学反应产生的中间产物多硫化物(Li₂S_n,n＞4)在电解液中溶解、扩散至锂负极并与之发生反应，造成“穿梭效应”。绝缘性不溶物Li₂S和Li₂S₂在正极材料表面沉积，导致活性物质的电接触恶化，循环稳定性下降。

3.活性物质的体积变化。单质硫(2.07g/cm^-3)和硫化锂(1.66g/cm^-3)在充放电过程中的密度差异造成了大约76％的体积变化，导致活性物质结构的破坏和脱落。

因此，如何提高电池循环性能、阻碍电池的快速衰减、提高活性物质利用率成为了锂硫电池研究的重点。在这其中，制备聚合物/硫复合材料展示了极高的发展前景。Wu等人首先制备了纳米硫颗粒，然后在其外表面原位聚合生长了聚噻吩外壳，有效提高了复合物的导电性，抑制了聚硫化合物的散失，在0.2C的电流密度循环80圈以后比容量保持在830mAh*g^-1(F.Wu,J.Chen,R.Chen,S.Wu,L.Li,S.Chen and T.Zhao,J.Phys.Chem.C 2011,115,6057-6063.)。Xiao等人制备聚苯胺管，后在其表面包覆硫并进行硫化反应，有效抑制了聚硫化合物的散失，在0.1C的电流密度循环100圈以后比容量保持在837mAh*g^-1(L.Xiao,Y.Cao,J.Xiao,B.Schwenzer,M.H.Engelhard,L.V.Saraf,Z.Nie,G.J.Exarhos and J.Liu,Adv.Mater.2012,24,1176-1181.)。Zhou等人首先合成纳米硫颗粒，然后将其包裹在聚苯胺外面，最后进行热处理，在0.2C的电流密度循环200圈以后比容量保持在756mAh*g^-1(W.Zhou,Y.Yu,H.Chen,F.J.DiSalvo and H.D.Abruna,J.Am.Chem.Soc.2013,135,16736-16743.)。Chen等人利用导电聚合物PEDOT(3,4-乙烯二氧噻吩)包裹硫纳米颗粒，在400mA*g^-1的电流密度下循环50圈，保持930mAh*g^-1的比容量(H.Chen,W.Dong,J.Ge,C.Wang,X.Wu,W.Lu and L.Chen,Sci.Rep,2013,3,1910.)。

综上所述，本发明综合设计了同时兼具物理和化学限域作用的三明治结构聚苯胺用于对的硫修饰改性，有效解决了锂硫电池循环稳定性差，放电比容量低，电极微结构易坍塌等问题，取得了较理想的电池性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有导电聚合物/硫复合正极材料存在的上述问题，提供一种性能优异且有望大规模工业化生产的导电聚合物(聚苯胺，聚3,4-乙撑二氧噻吩，聚吡咯)/硫三明治结构复合电极材料的制备方法。该方法以聚苯胺和硫为例，通过水热法、常温液相合成法以及热处理制备出了最终的复合电极材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有三明治结构的聚苯胺/硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚苯胺空心球(P)的制备：将磷酸、苯胺、双氧水以及氯化铁加入到去离子水中搅拌混合均匀，加热混合溶液至一定温度并保温进行水热反应，反应结束后经离心分离和真空干燥得聚苯胺空心球；

(2)聚苯胺/硫复合材料前驱体(S@P)的制备：将制备好的聚苯胺空心球分散到去离子水中，依次加入聚乙烯吡咯烷酮、五水硫代硫酸钠以及盐酸，常温搅拌反应，经离心分离、真空干燥得硫包裹的聚苯胺复合物；

(3)聚苯胺/硫三明治复合正极材料(P@S@P)的制备：将制备好的硫包裹的聚苯胺复合物分散在去离子水中，依次加入苯胺、盐酸以及过硫酸铵，接着常温搅拌反应，经离心分离、真空干燥即得。

按照上述方案，步骤(1)中磷酸、苯胺、双氧水、氯化铁的质量比为10:0.5:1:0.02-0.12，中速搅拌混合时间为15-30min，水热反应温度为120-180℃反应时间4-8h。

按照上述方案，步骤(2)中聚乙烯吡咯烷酮、五水硫代硫酸钠、盐酸与双氧水的质量比为3.2:10:2-6:1，中速搅拌时间为2-6h。

按照上述方案，步骤(3)中苯胺、盐酸、过硫酸铵与双氧水的质量比为2.44:1.6-9.6:4:1，中速搅拌时间为6-12h。

上述方案中，离心分离时的转速为5000-8000转/min，采用去离子水和乙醇交替洗涤三次，真空干燥时的温度为40-80℃，干燥时间为12-36h，所使用的盐酸质量浓度为37％，所使用的磷酸质量浓度为85％。

本发明方法通过水热法、常温液相合成法以及热处理等步骤，在较为温和的反应条件和简单的反应设备下，制备出了长寿命、高比容量的锂硫电池用导电聚合物/硫复合电极材料。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)该三明治复合结构正极材料由内外双层聚苯胺和中间硫层组成，其特点在于内外双层聚苯胺和中间硫层充分接触，有效地抑制了充放电过程中聚硫化合物的散失，提高电极材料的循环性能和倍率性；(2)中空的结构设计，有助于提高了硫的利用效率；(3)整个工艺流程简单、环境友好、适合工业化生产，所制备的三明治结构复合电极材料用于锂硫电池具有能量密度高、循环性能好、倍率性能佳等优点，在移动通讯和便携数码产品、电动汽车、储能设备等相关领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1制备过程中各中间物质的扫描电镜图，其中a为聚苯胺空心球，b为硫包裹的聚苯胺复合物(S@P)，c为聚苯胺/硫三明治复合正极材料(P@S@P)；

图2为本发明实施例1制备的P@S@P的X射线衍射图；

图3为本发明实施例1制备的P@S@P作为锂硫电池正极在室温下的恒流充放电循环图。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例和附图进行进一步说明。

本发明制备简便，所选取的适用材料具有普遍性，能够推广到其他多种不同类型的高分子导电聚合物，例如聚吡咯，聚噻吩等，本发明以导电聚合物中的一种，聚苯胺为例。

实施例1

一种具有三明治结构的聚苯胺/硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先向200ml去离子水中依次加入10g磷酸、0.5g苯胺、1g双氧水和0.02g氯化铁，再通过电磁搅拌器以中速搅拌混合15分钟。然后将混合均匀的溶液装入水热反应釜中，在干燥箱反应温度为130℃并保温8小时。反应结束后，将产物以5000转/分的转速离心，并用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在40℃干燥12小时得聚苯胺空心球，收集备用。

第二步，将第一步制得的聚苯胺空心球添加到200ml去离子水中，并向溶液中依次加入3.2g聚乙烯吡咯烷酮和10g五水硫代硫酸钠并搅拌均匀，再加入2g盐酸(浓度为37％)，常温下中速搅拌2小时。反应结束后以5000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在40℃干燥12小时得硫包裹的聚苯胺复合物，收集备用。

第三步，将第二步制得的硫包裹的聚苯胺复合物加入到150ml去离子水中，向其中加入2.44g苯胺、1.6g盐酸以及4g过硫酸铵，常温下中速搅拌7小时。反应结束后，以5000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱，在40℃干燥12小时即得聚苯胺/硫三明治复合正极材料。

为了解制备的聚苯胺/硫三明治复合正极材料相关性能，我们将其制作成锂硫电池并进行了相关分析。将聚苯胺/硫三明治复合电极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比75:15:10的配比进行混合，再滴加适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)并搅拌2小时，将搅拌均匀的浆料涂布在铝箔上，真空干燥处理(真空干燥的绝对真空度为100Pa，干燥温度60度，干燥时间为12小时)后得到正极电极片。以金属锂为负极片，聚丙烯多孔膜为电池隔膜，电解液配方为1mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶解于1,3-二氧戊烷(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)(体积比为1:1)的混合溶液，再添加0.1mol/L的硝酸锂(LiNO₃)，在氩气气氛的手套箱内组装成2025型扣式电池，对该电池进行电化学性能测试(测试电压区间为1.4-2.8V)。

实施例2

一种具有三明治结构的聚苯胺/硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先向200ml去离子水中依次加入10g磷酸、0.5g苯胺、1g双氧水和0.08g氯化铁，再通过电磁搅拌器以中速搅拌混合25分钟。然后将混合均匀的溶液装入水热反应釜中，在干燥箱反应温度为160℃并保温6小时。反应结束后，将产物以6000转/分的转速离心，并用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在60℃干燥24小时得聚苯胺空心球，收集备用。

第二步，将第一步制得的聚苯胺空心球添加到200ml去离子水中，并向溶液中依次加入3.2g聚乙烯吡咯烷酮和10g五水硫代硫酸钠并搅拌均匀，再加入4g盐酸(浓度为37％)，常温下中速搅拌4小时。反应结束后以6000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在60℃干燥24小时得硫包裹的聚苯胺复合物，收集备用。

第三步，将第二步制得的硫包裹的聚苯胺复合物加入到150ml去离子水中，向其中加入2.44g苯胺、6g盐酸以及4g过硫酸铵，常温下中速搅拌14小时。反应结束后，以6000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱，在60℃干燥24小时即得聚苯胺/硫三明治复合正极材料。

将制备好的聚苯胺/硫三明治复合电极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比75:15:10的配比进行混合，再滴加适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)并搅拌2小时，将搅拌均匀的浆料涂布在铝箔上，真空干燥处理(真空干燥的绝对真空度为100Pa，干燥温度60度，干燥时间为12小时)后得到正极电极片。以金属锂为负极片，聚丙烯多孔膜为电池隔膜，电解液配方为1mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶解于1,3-二氧戊烷(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)(体积比为1:1)的混合溶液，再添加0.1mol/L的硝酸锂(LiNO₃)，在氩气气氛的手套箱内组装成2025型扣式电池，对该电池进行电化学性能测试(测试电压区间为1.4-2.8V)。

实施例3

一种具有三明治结构的聚苯胺/硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，首先向200ml去离子水中依次加入10g磷酸、0.5g苯胺、1g双氧水和0.12g氯化铁，再通过电磁搅拌器以中速搅拌混合30分钟。然后将混合均匀的溶液装入水热反应釜中，在干燥箱反应温度为180℃并保温4小时。反应结束后，将产物以8000转/分的转速离心，并用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在80℃干燥36小时得聚苯胺空心球，收集备用。

第二步，将第一步制得的聚苯胺空心球添加到200ml去离子水中，并向溶液中依次加入3.2g聚乙烯吡咯烷酮和10g五水硫代硫酸钠并搅拌均匀，再加入6g盐酸(浓度为37％)，常温下中速搅拌6小时。反应结束后以8000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱中，在80℃干燥36小时得硫包裹的聚苯胺复合物，收集备用。

第三步，将第二步制得的硫包裹的聚苯胺复合物加入到150ml去离子水中，向其中加入2.44g苯胺、9.6g盐酸以及4g过硫酸铵，常温下中速搅拌18小时。反应结束后，以8000转/分的转速离心分离混合溶液，采用去离子水和乙醇交替离心洗涤三次。将离心获取的沉淀物置于真空干燥箱，在80℃干燥36小时即得聚苯胺/硫三明治复合正极材料。

将制备好的聚苯胺/硫三明治复合电极材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯按照质量比75:15:10的配比进行混合，再滴加适量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)并搅拌2小时，将搅拌均匀的浆料涂布在铝箔上，真空干燥处理(真空干燥的绝对真空度为100Pa，干燥温度60度，干燥时间为12小时)后得到正极电极片。以金属锂为负极片，聚丙烯多孔膜为电池隔膜，电解液配方为1mol/L的双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶解于1,3-二氧戊烷(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)(体积比为1:1)的混合溶液，再添加0.1mol/L的硝酸锂(LiNO₃)，在氩气气氛的手套箱内组装成2025型扣式电池，对该电池进行电化学性能测试(测试电压区间为1.4-2.8V)。

对本发明方法所制备的聚苯胺/硫三明治复合正极材料进行了SEM、TEM和XRD的形貌结构表征以及电化学性能的测试，同时通过TG进一步确认了复合材料的载硫量，下面以实施例1的测试结果为例进行说明。

图1为本发明实施例1制备过程中各中间物质的扫描电镜图，其中a为聚苯胺空心球，b为硫包裹的聚苯胺复合物，c为聚苯胺/硫三明治复合正极材料。从图中可以看到，聚苯胺/硫三明治复合电极材料分散性好，大小均一，直径500nm左右。图2是聚苯胺/硫三明治复合材料的X射线衍射图，可以看到由于聚苯胺是有机物，主要呈现的是硫的特征衍射峰(JCPDSNo.08-0247)。采用实施例1制备的聚苯胺/硫复合材料作为锂硫电池正极材料在室温下恒流充放电，在0.2C(1C＝1673mAh*g^-1)的电流密度下，首次放电容量为1142mAh*g^-1；充放电200次后放电容量仍有972mAh*g^-1，库伦效率接近100％，这说明该材料有效的抑制了聚硫化合物的散失，具有稳定的循环性能。