一种碘-硫/碳复合材料及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于化学电源领域，涉及一种碘-硫/碳复合材料及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]目前商业化的锂离子电池正极主要以LiCo02、LiFePO4, LiCov3Niv3Mn1Z3O2为主，其比容量在140 mAh/g附近；正极材料主要为石墨，比容量在372 mAh/g左右，所得到的锂离子电池比能量往往难以超越200 Wh/kg。而锂硫电池以单质硫为正极活性物质，比容量达到1675 mAh/g，负极直接以金属锂为活性物质，故锂硫电池理论能量密度达到2600 Wh/kg，而目前已有能量密度达到400 Wh/kg试制样品电池的报道。由于其较高的比能量，因此锂硫电池是一种极具潜力的下一代能量存储体系。但是锂硫电池目前的问题在于:其一，单质硫及其放电产物为电子绝缘与离子绝缘；其二，由于单质硫与放电产物硫化锂密度不同，同时放电中间产物溶于电解液。因此在充放电过程中，会出现活性物质的溶解与析出和体积膨胀，从而容易造成活性物质在电极中分布不均匀而造成电化学性能衰减。
[0003]为解决锂硫电池的导电性问题，研宄者们进行了大量的实验，设计了众多的方案:
1)使用聚苯胺、聚吡咯等有机导电高分子材料包覆正极活性物质，从而改善电极的导电性。
2)使用大比表面的多孔碳材料以增强硫与碳的接触位点而改善硫电极的导电状况。但是以上方案均是以改善硫电极的电子电导为目的，而硫电极同样锂离子绝缘，因此提高硫电极的电子电导率之后，改善硫电极的锂离子传导状况也十分重要。现有研宄中，Wu Feixiang等(Wu Feixiang,Lee Jung Tae，Nitta Naoki, et al.Lithium 1dide as a PromisingElectrolyte Additive for Lithium - Sulfur Batteries: Mechanisms of PerformanceEnhancement[J].Advanced Materials, 2015，27(1): 101-108.)使用碳-硫化钮作为钮硫电池正极材料，将碘化锂作为电解液的添加剂应用于锂硫电池中，可以有效的降低首次充电过程的氧化电位。
【发明内容】
[0004]针对目前锂硫电池中单质硫及其放电产物硫化锂离子绝缘的缺陷，本发明提供了一种电化学综合性能良好的碘-硫/碳复合材料及其制备方法与应用，该方法制备的复合材料具有较好的导电性、电化学稳定性，利于提高锂硫电池的倍率性能与循环稳定性。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种碘-硫/碳复合材料，由单质硫、单质碘和导电炭黑组成，其质量比为25~85:
0.05-40:5~70，可以表示为I2-S/C，其中:I2代表碘元素，S代表硫元素，C代表导电炭黑。
[0006]上述碘-硫/碳复合材料的制备方法，具体步骤如下:
将单质硫、单质碘与导电炭黑混合均匀，然后加热到120~158°C，恒温处理3~48小时，冷却之后得到锂硫电池正极材料。
[0007]上述碘-硫/碳复合材料可用于锂硫二次电池的正极材料。
[0008]本发明中，导电炭黑可以是科琴黑、乙炔黑、Super P、CMK-3、活性炭、碳纳米管、石墨烯、碳纤维中的一种或多种。
[0009]相较于现有技术，本发明具有如下优点:
1、本发明使用单质碘添加到硫电极，使其在首次放电之后生成固体电解质一一碘化锂，从而改善硫电极的锂离子传导状况而改善锂硫电池的倍率性能。
[0010]2、本发明具有制备方法简单、可批量化生产、电化学综合性能好、倍率性能优异、活性物质在电极中分散性好、循环稳定性好等优点。
【附图说明】
[0011]图1为实施例1所得I2-S/C复合材料X射线衍射花样；
图2为实施例1所得锂硫电池的循环稳定性曲线；
图3为实施例2所得锂硫电池的循环稳定性曲线；
图4为实施例3所得锂硫电池的循环稳定性曲线。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0013]实施例1:
(I)将质量比65:10:25的单质硫、单质碘与科琴黑混合均匀，将上述材料加热到155°C保持12小时，得到I2_S/C复合材料，其XRD衍射花样如图1。
[0014](2)将得到的I2_S/C复合材料与Super P，PVDF按质量比8:1:1分散在NMP溶剂中，形成均匀的浆料之后涂覆于铝箔之上，在50°C下烘干得到正极，使用金属锂片为负极在氩气气氛的保护下组装为2025型扣式电池，电解液为I mol/L的LiTFSI溶解于DOL:DME(v:v=l:l;D0L:l，3—二氧戊环；DME:乙二醇二甲醚)。电化学测试均在室温下进行。充放电测试电位区间为1.7-2.6 V，电流密度为I C，得到的循环稳定性曲线如图2所示。
[0015]实施例2:
(I)将质量比60:10:30的单质硫、单质碘与Super P混合均勾，将上述材料加热到125°C保持24小时，得到I2_S/C复合材料。
[0016](2)将得到的I2_S/C复合材料组装扣式电池，采用同实施例1同样的组装电池的方法与充放电测试方式。循环稳定性曲线如图3所示。
[0017]实施例3:
(I)将质量比60:5:35的单质硫、单质碘与CMK-3混合均匀，将上述材料加热到130°C保持24小时，得到I2_S/C复合材料。
[0018](2)将得到的I2_S/C复合材料组装扣式电池，采用同实施例1同样的组装电池的方法与充放电测试方式。循环稳定性曲线如图4所示。
[0019]实施例4:
本实施例与实施例1不同的是，单质硫、单质碘与乙炔黑的质量比为35:15:50o
[0020]实施例5:
本实施例与实施例1不同的是，单质硫、单质碘与活性炭的质量比为40:35:25ο
[0021]实施例6:
本实施例与实施例1不同的是，单质硫、单质碘与导电炭黑的质量比为70:20:10，导电炭黑为碳纳米管和石墨烯的混合物，二者质量比为1:1。
【主权项】
1.一种碘-硫/碳复合材料，其特征在于所述复合材料由单质硫、单质碘和导电炭黑组成，其质量比为 25-85:0.05-40:5~70。2.根据权利要求1所述的碘-硫/碳复合材料，其特征在于所述导电炭黑为科琴黑、乙炔黑、Super P、CMK-3、活性炭、碳纳米管、石墨稀、碳纤维中的一种或多种。3.—种权利要求1所述的碘-硫/碳复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下: 将单质硫、单质碘与导电炭黑混合均匀，然后加热到120~158°C，恒温处理3~48小时，冷却之后得到锂硫电池正极材料。4.一种权利要求1所述的碘-硫/碳复合材料在锂硫二次电池正极材料中应用。
【专利摘要】本发明公开了一种碘-硫/碳复合材料及其制备方法与应用，所述复合材料由单质硫、单质碘和导电炭黑组成，其质量比为25~85：0.05~40：5~70，制备步骤如下：将单质硫、单质碘与导电炭黑混合均匀，然后加热到120~158℃，恒温处理3~48小时，冷却之后得到锂硫电池正极材料。上述碘-硫/碳复合材料可用于锂硫二次电池的正极材料。本发明使用单质碘添加到硫电极，使其在首次放电之后生成固体电解质——碘化锂，从而改善硫电极的锂离子传导状况而改善锂硫电池的倍率性能，具有制备方法简单、可批量化生产、电化学综合性能好、倍率性能优异、活性物质在电极中分散性好、循环稳定性好等优点。
【IPC分类】H01M4/36, H01M10/0525, H01M4/62
【公开号】CN104979534
【申请号】CN201510291364
【发明人】左朋建, 张瀚, 花俊夫, 尹鸽平, 高云智
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月1日