用于Li-S电池的包含石墨烯的正极材料及其制备方法

文档序号:9693459阅读:709来源:国知局
用于Li-S电池的包含石墨烯的正极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于L1-s电池的正极材料、包含所述正极材料的正极和L1-s电池,以及制备所述正极材料的方法。
【背景技术】
[0002]锂硫电池(L1-S电池)是一种具有非常高的能量密度的可再充电的电池,其中将具有高电化学潜能的锂与硫结合(L1-S)以获得优异的可再充电的性能。在硫和锂原子分离或结合时,储存和释放出电池能量。
[0003]因为硫提供比其他普通的正极材料更高的每克充电容量,所以与传统电池相比,L1-S电池具有更高的能量密度。
[0004]L1-S电池由于其能量密度更高且成本更低廉所以可以接替锂离子电池。此外,与大多数正极材料相比,硫几乎无毒,使得此类电池对于人接触是比较安全的。因此,人们有极大的兴趣将L1-S电池用于各种应用。
[0005]然而,差的电化学稳定性、循环稳定性和低的正极材料利用率长期以来是阻碍L1-S电池快速发展的难题。
[0006]中国专利申请CN1396202A公开了一种用于电化学电池的包含硫和聚合物的复合正极材料,其中该聚合物用作基体,电化学活性硫被引入其中。CN 1396202A公开了可以将聚丙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚氧乙烯、聚乙烯醇等用作L1-S电池中的聚合物前体。
[0007]中国专利申请CN 101577323A公开了一种用于L1-S电池的正极材料,其是通过如下方式制备的:将硫基复合材料、环糊精粘合剂和碳导电剂混合,将该混合物涂覆在招猜集流体上,干燥及压制以获得正极。该硫基复合材料包含碳纳米管、硫和聚丙烯腈。
[0008]虽然存在有所有这些现有技术,仍然需要具有更优的充放电性能且成本更低廉的正极材料。

【发明内容】

[0009]因此,本发明的目的是提供具有更优的充放电性能且成本更低廉的正极材料。
[0010]该目的是通过以下技术方案实现的。
[0011]本发明提供用于L1-s电池的正极材料,其包含基于丙烯腈的聚合物、硫和石墨烯。
[0012]在一个实施方案中,基于所述正极材料的总重量,所述正极材料包含10重量%至70 %的基于丙烯腈的聚合物、20重量%至80 %的硫及0.1重量%至20重量%的石墨烯。
[0013]在一个实施方案中,所用的石墨烯的厚度为0.34至10nm,长度为10至500nm,宽度为10至500nm。
[0014]在一个优选的实施方案中,所述正极材料还包含碳纳米管。
[0015]本发明还提供用于L1-S电池的正极,其包含根据本发明的正极材料。
[0016]还提供三种制备所述用于L1-S电池的正极材料的方法。
[0017]制备所述正极材料的第一方法包括以下步骤:
[0018]将10至30重量份基于丙烯腈的聚合物分散在30至1000重量份水中;
[0019]添加0.1至5重量份氧化石墨;
[0020]添加20至200重量份硫;及
[0021]将如此获得的混合物均匀化,然后在惰性气氛中加热至200至400°C的温度,并在所述温度下保持1至20小时,从而获得正极材料。
[0022]制备所述正极材料的第二方法包括以下步骤:
[0023]将10至30重量份基于丙烯腈的聚合物分散在30至1000重量份水中;
[0024]添加0.1至5重量份氧化石墨;
[0025]添加0.1至10重量份还原剂;
[0026]在室温至100°C下获得石墨烯和基于丙烯腈的聚合物的均匀混合物;
[0027]将20至200重量份硫添加至所述混合物;及
[0028]将如此获得的混合物均匀化,然后在惰性气氛中加热至200至400°C的温度,并在所述温度下保持1至20小时,从而获得正极材料。
[0029]制备所述正极材料的第三方法包括以下步骤:
[0030]将10至30重量份基于丙烯腈的聚合物分散在30至1000重量份水中;
[0031]添加0.1至5重量份石墨烯;
[0032]将20至200重量份硫添加至所述混合物;及
[0033]将如此获得的混合物均匀化,然后在惰性气氛中加热至200至400°C的温度,并在所述温度下保持1至20小时,从而获得正极材料。
[0034]与现有技术相比,根据本发明的填料的优点包括:
[0035]-将石墨烯用作正极材料中的导电填料;
[0036]-通过将氧化石墨原位还原成为石墨烯,将石墨烯均匀地分散在正极材料中;
[0037]-拓宽了导电填料的来源,同时降低了正极材料的成本。
[0038]参照以下的说明、实施例及所附的权利要求书使本发明的各种其他的特征、方面及优点更加清晰。
【附图说明】
[0039]图1所示为通过用多硫化物使氧化石墨还原获得的石墨烯的TEM照片。
[0040]图2所示为用于L1-S电池的包含石墨烯的正极材料的TEM照片。
[0041]图3所示为使用用于L1-S电池的包含石墨烯的正极材料获得的充放电曲线。
[0042]图4比较了根据本发明的正极材料(PAN/S/GNS)和不含石墨烯的正极材料(PAN/S)在不同放电倍率下的放电性能,其中C是指放电功率比率(discharge power rate),例如
0.1C是指10小时放电,1C是指1小时放电。
【具体实施方式】
[0043]通过以下实施例进一步阐述本发明,并不意味着将本发明的范围限制于实施例。
[0044]除非另有说明,出于所有目的明确地引入在此提及的所有的出版物、专利申请、专利及其他参考文献的全部内容作为参考,如同全面阐述。
[0045]除非另有定义,在此使用的所有的技术术语和科学术语具有由本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。在发生矛盾的情况下,以包含定义的本说明书为准。
[0046]除非另有说明,所有的百分数、份数、比例等均是基于重量。
[0047]若量、浓度或其他的数值或参数是作为范围、优选的范围或一列优选的上限值和优选的下限值给出,则应当理解为具体地公开了由任意一对任意的范围上限或优选的数值和任意的范围下限或优选的数值形成的所有范围,无论是否单独地公开了这些范围。若在此述及一个数值范围,除非另有说明,意味着该范围包括其端点、以及在该范围内的所有的整数和分数。
[0048]若在描述数值或范围的端点时使用术语“约”,则该公开的内容应当理解为包括所涉及的特定的数值或端点。
[0049]此外,在本发明的元件或组件之前的不定冠词“一个”意味着并不限制所述元件或组件的实例的数量(即出现次数)。因此,“一个”应当解读为包括一个或至少一个,所述元件或组件的单数词形式还包括复数,除非该数量明确是指单数。
[0050]材料、方法及实施例在此仅为示例性,除非具体地说明,并不意味着加以限制。虽然可以将与在此所述相类似或等价的方法和材料用于本发明的实践和测试,但是在此描述了合适的方法和材料。
[0051 ]下面详细地阐述本发明。
[0052]电池成本主要取决于材料和制备方法。因为硫比其他电池系统的典型组分便宜得多,所以与锂离子电池或锂-聚合物电池相比,L1-S技术是以更低的原料成本开始的。
[0053]为了进一步降低L1-S电池的成本,本发明提供具有更优的充/放电性能且成本更低廉的正极材料。
[0054]在本发明中,所述基于丙烯腈的聚合物发挥包封元素硫的聚合物基体的作用。基于丙烯腈的聚合物的优选的重量百分比为由10重量%至70重量%。
[0055]可以使用的聚合物包括聚丙烯腈和丙烯腈共聚物。在本申请中,聚丙烯腈是指丙烯腈的均聚
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