一种锂硫电池的电极结构及加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于锂硫电池技术领域，特别是涉及一种锂硫电池的电极结构。
【背景技术】
[0002]在锂硫电池体系中，以金属锂为负极，单质硫为正极，理论比能量可达到2600Wh/kg，远大于现代商业化的锂离子电池。此外单质硫也具有价格低廉，环境友好的特性。因此，锂硫电池具有极高的商业应用潜力。但是锂硫电池也存在着诸多的问题。其中最主要的是在充放电的过程当中，硫的利用率低，循环过程中容量衰减快。
[0003]目前，认为导致这一问题的原因包括多个方面，其中之一是单质硫为绝缘体，硫电极中活性物质活化难度大。而且，单质硫在放电过程中，产生大量的中间产物，即多硫化物。多硫化物会溶解于电解液当中，并离开原来的位置，随着单质硫的最终还原产物的析出，形成大量的大颗粒，降低了还原产物氧化的可逆性。此外，多硫化物会扩散到负极金属锂的表面，与金属锂发生还原反应，并返回正极，再发生氧化反应，即“穿梭效应”。该效应不但降低锂硫电池的库伦效率，腐蚀金属锂负极，而且会在金属锂表面生成大量的还原产物，该产物是绝缘的，会导致电池的内阻增加。
[0004]针对以上问题，研究人员提出了较多的锂硫电池改进技术。其中包括正极采用碳硫复合材料；对正极的硫颗粒或碳硫复合材料颗粒进行聚合物包覆；使用单离子透过膜代替现有的隔膜；开发不同类型的电解液和电解液添加剂；使用聚合物电解质；制备独立的自支撑碳膜。
[0005]在这些改进方案中，制备独立的自支撑碳膜与本发明有一定的相似性。目前，所有采用碳夹层的锂硫电池研究，均采用具有自支撑能力的碳膜。通过将碳材料和PTFE粘结剂混合并辊压成膜，或者使用碳纤维布等材料。这些独立的自支撑碳膜均具有制备困难，且厚度大，重量高，在电池装配过程中不便应用的问题。这些问题会大幅度的降低锂硫电池的能量密度，提高生产成本，因此，并不具备应用潜力。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是:为了解决锂硫电池正极硫利用率低，循环寿命短的问题，本发明专利提出一种制备简单、厚度薄、重量轻、原材料廉价易得的三层电极制备技术，使其既能具备类似独立自支撑碳夹层对锂硫电池性能的良好提升能力，又简单，易于实用。
[0007]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0008]—种锂硫电池的电极结构，包括含硫的活性物质层(2)和集流体(4);在所述活性物质层(2)的上表面涂覆有第一碳涂层(1)，在所述活性物质层(2)的下表面涂覆有第二碳涂层(3)，所述第二碳涂层(3)位于活性物质层(2)和集流体(4)之间。
[0009]进一步:所述第一碳涂层(1)的比表面积大于20m2/g。
[0010]更进一步:所述第一碳涂层(1)的堆积密度小于lg/m3。
[0011]进一步:所述第二碳涂层(3)的比表面积大于20m2/g。
[0012]更进一步:所述第二碳涂层(3)的堆积密度小于lg/m3。
[0013]更进一步:所述第一碳涂层(1)和第二碳涂层(3)的厚度大于5微米。
[0014]—种锂硫电池的电极结构的加工工艺，包括如下步骤:
[0015]碳涂层物料制备:将SP、LA132按质量比9:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层上并烘干，得到第一碳涂层(1);
[0016]将硫、科琴黑、气相生长碳纤维、LA132胶按质量比7:1:1:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在第一碳涂层(1)上并烘干，得到活性物质层(2);
[0017]碳涂层物料制备:将SP、LA132按质量比9:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层(2)上并烘干，得到第二碳涂层(3);进而得到正极；
[0018]将正极、隔膜、金属锂负极装配成CR2430型扣式电池；使用的电解液为lmol/LLiTFSI的D0L-DME溶液，D0L和DME的体积比为1: 1，并加入0.4M LiN03。
[0019]本发明具有的优点和积极效果是:
[0020]1、本发明专利的主要特点是在含硫的活性物质层两侧涂覆碳涂层，即在活性物质层表面，以及活性物质层与集流体之间，分别涂覆碳涂层，或者仅在活性物质层表面涂覆碳涂层。其中，碳材料为主要成分，宜选用比表面积大或堆积密度低的碳材料。较高的比表面积可以吸附多硫化物，抑制穿梭效应。同时，堆积密度低的碳材料可以形成较为疏松的碳涂层，从而在碳涂层中储存大量的电解液，有利于硫和多硫化物的溶解，利于正极反应的发生，并缓解溶解带来的电解液粘度升高。
[0021]2、相对于现有的电极技术，本发明所加入的碳涂层具有很高的比表面积，可以有效的吸附洛解的硫和多硫化物，抑制裡硫电池中的“穿梭效应”，从而提尚电池的循环寿命，并提高库伦效率。
[0022]3、相对于现有的电极技术，本发明所加入的碳涂层具有一定的厚度，且为多孔的疏松结构。相对于普通电极，可以储存一定量的电解液，有利于硫和多硫化物的溶解，从而保证了正极电极反应的发生，提高电池的放电容量。该技术还有效缓解了由于硫和多硫化物的溶解导致的电解液粘度升高。
[0023]4、现有的在锂硫电池中使用独立的碳夹层技术，碳夹层为自支撑膜，厚度大、重量大、且制备困难。相对于独立的碳夹层技术，本发明中的碳涂层具有厚度小、重量小、制备简单易得，可使用的碳材料来源广泛，在电池装配过程中也具有操作简单的特点。
【附图说明】
:
[0024]图1为本发明优选实施例中锂硫电池的电极结构示意图；
[0025]图2为未采用上述优选实施例结构与采用上述优选实施例的放电性能对比。
[0026]图中:1、第一碳涂层；2、活性物质层；3、第二碳涂层；4、集流体。
【具体实施方式】
[0027]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0028]请参阅图1和图2，一种锂硫电池的电极结构，包括含硫的活性物质层2和集流体4 ;在所述活性物质层2的上表面涂覆有第一碳涂层1，在所述活性物质层2的下表面涂覆有第二碳涂层3，所述第二碳涂层3位于活性物质层2和集流体4之间。
[0029]进一步：所述第一碳涂层1的比表面积大于20m2/g。
[0030]更进一步：所述第一碳涂层1的堆积密度小于lg/m3。
[0031]进一步：所述第二碳涂层3的比表面积大于20m2/g。
[0032]更进一步：所述第二碳涂层3的堆积密度小于lg/m3。
[0033]更进一步：所述第一碳涂层1和第二碳涂层3的厚度大于5微米。
[0034]—种锂硫电池的电极结构的加工工艺，包括如下步骤：
[0035]碳涂层物料制备：将SuperP-Li (SP)、LA132水性胶按质量比9:1混合，使用水作为分散介质。将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层上并烘干，得到第一层一一碳涂层。
[0036]将硫、科琴黑、气相生长碳纤维、LA132胶按质量比7:1:1:1混合，使用水作为分散介质。将混合好的浆料涂覆在第一层上并烘干，得到第二层一一活性物质层。
[0037]碳涂层物料制备：将SP、LA132按质量比9:1混合，使用水作为分散介质。将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层上并烘干，得到第三层一一碳涂层。三层涂完后得到正极，正极结构如图2所示。
[0038]将正极片、隔膜、金属锂负极装配成CR2430型扣式电池。使用的电解液为lmol/LLiTFSI的D0L-DME溶液，D0L和DME的体积比为1: 1，并加入0. 4M LiN03。
[0039]为了对比效果，将硫、科琴黑、气相生长碳纤维、LA132胶按质量比6:2:1:1混合，使用水作为分散介质。将混合好的浆料涂覆在铝箔上并烘干，获得对比电极。
[0040]对实例1所得到的正极进行了充放电测试，测试结果见图2。
[0041]对实例1的充放电测试结果见图2图中所示是相同设计容量的软包装电池的放电性能对比，采用三层电极制备的软包装电池最大放电容量达到3. 5Ah，循环容量保持较好，而采用单层电极的电池放电容量仅达到2. lAh，而且循环中容量持续减少。
[0042]综上所述，本发明中用于锂硫电池的三层电极技术可以显著地提高锂硫电池的放电比容量和循环性能。而且厚度薄、重量轻、制备简单易操作，在电池装配过程中也容易应用。
[0043]以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1.一种锂硫电池的电极结构，包括含硫的活性物质层(2)和集流体(4);其特征在于:在所述活性物质层(2)的上表面涂覆有第一碳涂层(1)，在所述活性物质层(2)的下表面涂覆有第二碳涂层(3)，所述第二碳涂层(3)位于活性物质层(2)和集流体(4)之间。2.根据权利要求1所述锂硫电池的电极结构，其特征在于:所述第一碳涂层(1)的比表面积大于20m2/g。3.根据权利要求2所述锂硫电池的电极结构，其特征在于:所述第一碳涂层(1)的堆积密度小于lg/m3。4.根据权利要求1所述锂硫电池的电极结构，其特征在于:所述第二碳涂层(3)的比表面积大于20m2/g。5.根据权利要求4所述锂硫电池的电极结构，其特征在于:所述第二碳涂层(3)的堆积密度小于lg/m3。6.根据权利要求3或5所述锂硫电池的电极结构，其特征在于:所述第一碳涂层(1)和第二碳涂层(3)的厚度大于5微米。7.一种制造权利要求6所述锂硫电池的电极结构的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤: 碳涂层物料制备:将SP、LA132按质量比9:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层上并烘干，得到第一碳涂层(1); 将硫、科琴黑、气相生长碳纤维、LA132胶按质量比7:1:1:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在第一碳涂层(1)上并烘干，得到活性物质层(2); 碳涂层物料制备:将SP、LA132按质量比9:1混合，使用水作为分散介质；将混合好的浆料涂覆在准备好的活性物质层(2)上并烘干，得到第二碳涂层(3);进而得到正极； 将正极、隔膜、金属锂负极装配成CR2430型扣式电池；使用的电解液为lmol/L LiTFSI的D0L-DME溶液，D0L和DME的体积比为1: 1，并加入0.4M LiN03。
【专利摘要】本发明公开了一种锂硫电池的电极结构及加工工艺，电极结构包括含硫的活性物质层和集流体；活性物质层的上表面涂覆有第一碳涂层，活性物质层的下表面涂覆有第二碳涂层，第二碳涂层位于活性物质层和集流体之间。本发明的主要特点是在含硫的活性物质层两侧涂覆碳涂层，即在活性物质层表面，以及活性物质层与集流体之间，分别涂覆碳涂。其中，碳材料为主要成分，宜选用比表面积大或堆积密度低的碳材料。较高的比表面积可以吸附多硫化物，抑制穿梭效应。同时，堆积密度低的碳材料可以形成较为疏松的碳涂层，从而在碳涂层中储存大量的电解液，有利于硫和多硫化物的溶解，利于正极反应的发生，并缓解溶解带来的电解液粘度升高。
【IPC分类】H01M4/139, H01M4/13, H01M4/04
【公开号】CN105374982
【申请号】CN201510923554
【发明人】陈振宇, 丁飞, 庞辉, 付亚娟, 张晶, 韩宇, 张丽艳
【申请人】中国电子科技集团公司第十八研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年12月11日