一种用于钾硫电池正极的V2O5/S/PVA复合材料及其电极片的制备方法与流程

本发明涉及一种用于钾硫电池正极的v2o5/s/pva复合材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池是锂电池的一种，是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，价格低廉，利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量达到1675mah/g。但目前全球锂资源供应格局呈现出高度垄断的特点，成本较高，因此，亟待开发出一种新型可替代锂离子电池储能体系。

地壳中钾资源分布广泛，成本低廉，环境友好，其标准电极电势(-2.93v,vsshe)，接近于锂的标准电极电势(-3.04v,vsshe)。传统的锂硫电池通常将s与碳材料复合，以解决硫的不导电和体积膨胀等问题，但在钾硫电池体系中，由于钾金属活泼性很高，使硫的穿梭效应更加严重，对电池的性能影响较大，仅仅依靠碳材料与s的复合，无法有效抑制多硫化物的穿梭效应，导致电导率下降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于钾硫电池正极的v2o5/s/pva复合材料及其电极片的制备方法，工艺合理，原料易得，可有效抑制多硫化物的穿梭效应，增加基体电导率，从而提高钾硫电池性能。

本发明的技术解决方案是：

一种用于钾硫电池正极的v2o5/s/pva复合材料，所述v2o5/s/pva复合材料制备过程为：按照重量份数计，将0.2份-0.3份聚乙烯醇(pva)与0.3份-0.5份v2o5在蒸馏水中混合，80℃-95℃加热搅拌至粘稠状，在真空干燥箱内100℃-120℃加热6小时-8小时后取出，经管式炉氩气保护条件下，200℃-400℃煅烧2小时-4小时，随炉冷却后，研磨；再经管式炉氩气保护条件下，500℃-800℃高温煅烧6小时-10小时；将煅烧后的产品与硫粉按质量比1:1.5-1:5.5均匀混合后，放入真空干燥箱140℃-180℃加热保温20小时-30小时；最后，再次放入管式炉氩气保护条件下200℃-400℃煅烧2小时-4小时随炉冷却取出，经研磨，得到v2o5/s/pva正极复合材料。

进一步的，煅烧后研磨的时间为1.5小时-3.5小时。

一种用于钾硫电池正极的v2o5/s/pva复合材料电极片的制备方法，其具体步骤是：将v2o5/s/pva正极复合材料、导电炭黑(super-p)、聚偏氟乙烯(pvdf)与n-甲基吡咯烷酮(nmp)按质量比为7:2:0.5:0.5搅拌均匀后，单面涂于铝箔表面，并经过60℃-90℃真空干燥，得到v2o5/s/pva正极复合材料电极片。

本发明有益的效果：

工艺合理，原料易得，利用其中钒离子强烈的吸附能力，并通过与聚乙烯醇(pva)结合，经高温碳化处理后，增加基体电导率的同时，实现包覆作用，有效限制充放电过程中多硫化物(ks6、ks8等)的穿梭效应，从而提高钾硫电池的循环寿命和比容量。

附图说明

图1是本发明(对应实施例3)钾硫电池在电流密度0.2a/g、0.3a/g、0.5a/g下充放电曲线；

图2是本发明(对应实施例3)钾硫电池在电流密度0.2a/g、0.3a/g、0.5a/g下循环性能曲线；

图3是本发明(对应实施例3)制备的v2o5/s/pva复合材料扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1

(1)v2o5/s/pva正极复合材料的制备

将0.2gpva与0.5gv2o5在蒸馏水中混合，80℃加热搅拌至粘稠状，在真空干燥箱内100℃加热8小时后取出，经管式炉氩气保护条件下200℃煅烧4小时，随炉冷却后将其研细；再经管式炉氩气保护条件下，500℃高温煅烧10小时；将煅烧后的产品与硫粉按照质量比1:1.5均匀混合后，放入真空干燥箱140℃加热保温30小时；最后，再次放入管式炉氩气保护条件下200℃煅烧4小时随炉冷却取出，经研磨1.5小时后，得到v2o5/s/pva正极复合材料。

(2)v2o5/s/pva复合材料电极片的制备

将v2o5/s/pva正极复合材料、导电炭黑(super-p)、聚偏氟乙烯(pvdf)与n-甲基吡咯烷酮(nmp)按质量比为7:2:0.5:0.5搅拌均匀后，单面涂于铝箔表面，并经过60℃真空干燥，得到v2o5/s/pva正极复合材料电极片。组装成的钾硫电池，在电流密度为0.2a/g，比容量可以达到235mah·g^-1，电池累计循环寿命270次。

实施例2

(1)v2o5/s/pva正极复合材料的制备

将0.3g聚乙烯醇(pva)与0.3gv2o5在蒸馏水中混合，95℃加热搅拌至粘稠状，在真空干燥箱内120℃加热6小时后取出，经管式炉氩气保护条件下400℃煅烧2小时，随炉冷却后将其研细；再经管式炉氩气保护条件下，800℃高温煅烧6小时；将煅烧后的产品与硫粉按照质量比1:3均匀混合后，放入真空干燥箱180℃加热保温20小时；最后，再次放入管式炉氩气保护条件下400℃煅烧2小时随炉冷却取出，经研磨2小时后，得到v2o5/s/pva正极复合材料。

(2)v2o5/s/pva复合材料电极片的制备

将v2o5/s/pva正极复合材料、导电炭黑(super-p)、聚偏氟乙烯(pvdf)与n-甲基吡咯烷酮(nmp)按质量比为7:2:0.5:0.5搅拌均匀后，单面涂于铝箔表面，并经过90℃真空干燥，得到v2o5/s/pva正极复合材料电极片。组装成的钾硫电池，在电流密度为0.2a/g，比容量可以达到242mah·g^-1，电池累计循环寿命285次。

实施例3

(1)v2o5/s/pva正极复合材料的制备

将0.25g聚乙烯醇(pva)与0.4gv2o5在蒸馏水中混合，90℃加热搅拌至粘稠状，在真空干燥箱内110℃加热7小时后取出，经管式炉氩气保护条件下300℃煅烧3小时，随炉冷却后将其研细；再经管式炉氩气保护条件下，600℃高温煅烧8小时；将煅烧后的产品与硫按照质量1:5.5比均匀混合后，放入真空干燥箱150℃加热保温25小时；最后，再次放入管式炉氩气保护条件下300℃煅烧3小时随炉冷却取出，经研磨3.5小时后，得到v2o5/s/pva正极复合材料。

(2)v2o5/s/pva复合材料电极片的制备

将v2o5/s/pva正极复合材料、导电炭黑(super-p)、聚偏氟乙烯(pvdf)与n-甲基吡咯烷酮(nmp)按质量比为7:2:0.5:0.5搅拌均匀后，单面涂于铝箔表面，并经过80℃真空干燥，得到v2o5/s/pva正极复合材料电极片。

本发明实施例1-实施例3钾硫电池的组装：

该钾硫电池结构包括：钾金属负极(钾片)、聚丙烯隔膜、醚类电解液、v2o5/s/pva正极复合材料电极片、电池壳体。组装过程：1.将v2o5/s/pva正极复合材料电极片置于电池壳体中；2.取50μl醚类电解液置于称量瓶中；3.取两片聚丙烯隔膜在称量瓶中均匀蘸取电解液依次置于极片之上；4.将钾片置于聚丙烯隔膜之上；5.将厚度为1mm的垫片以及弹片先后置于钾片之上；6.盖好电池壳体。所述醚类电解液浓度为1mol·l^-1，是将双三氟甲基磺酰亚胺钾(tfsik)溶于1,3-二氧戊环(dol)、乙二醇二甲醚(dme)(v/v＝1:1)混合溶剂中配制而成的。

图1和图2是实施例3的正极复合材料电极片组装的电池所测得的数据，由图可知，在电流密度为0.2a/g，电池比容量可以达到250mahg^-1，电池累计循环寿命300次；锂硫电池在同等的试验条件下，在电流密度为0.2a/g，电池比容量为180-220mahg^-1，循环寿命为200-250次；钾硫电池相对于锂硫电池，其循环寿命和比容量均有所提高。这是由于复合材料中的钒离子的吸附能力，以及与经高温碳化处理后的聚乙烯醇(pva)结合，对硫实现包覆作用，增加了基体电导率，有效限制充放电过程中多硫化物(ks6、ks8等)的穿梭效应，使钾硫电池的循环寿命和比容量得到改善。

以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。