一种碳/硫化锂复合材料的制备方法与流程

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种碳/硫化锂复合材料的制备方法。

背景技术

伴随着不可再生能源的逐渐枯竭，发展可持续新型可再生清洁能源已经成为各国当务之急的任务，而传统的锂离子电池已无法满足市场的需求，因此急需寻找一种新型高能量密度的电池材料来替代。

锂硫电池以硫为正极活性材料时，具有1675mah/g的高理论比容量，并且单质硫具有成本低、资源丰富、环境友好等优势，而以锂硫电池的产物硫化锂为正极活性材料时，同样具有1166mah/g的高理论比容量，因此锂硫电池极具开发前景。并且，由于碳/硫复合材料价格低且制备过程简单而被广泛的研究，但该材料在首次充放电的时候会产生大约80％的体积膨胀，严重的破坏了正极材料原本的结构，降低了活性硫材料的利用率，从而影响了电池的电化学性能。而碳/硫化锂复合材料先充电再放电的电化学行为过程，则很好的避免了在充放电过程中活性物质体积变化对材料的结构的破坏，并且该材料还可以选用出锂金属之外的负极材料，可有效的排除锂枝晶带来的安全问题。但是硫化锂又是一个对水分及其敏感的材料，使得在制备、保存的方面严重受阻，因而导致硫化锂材料价格昂贵，限制了硫化锂电池的规模性生产。

传统的锂硫电池都是需要经过两步操作，即先制备好结构优异的碳材料，再将单质硫与其复合而制得碳/硫复合材料。但单质硫复合并不一定均匀，同时该复合材料对碳结构要求也比较高，这些影响因素都会影响到电池的电化学性能。

而碳/硫化锂复合材料的制备有两种方法，一种是先制备出硫化锂，然后再与多孔碳材料复合，另一种则是直接通过高温碳热还原硫酸锂制得碳/硫化锂复合材料。显然第一种方法操作过程复杂，并且很难将碳与硫化锂均匀复合，同时硫化锂材料的制备对生产设备及环境要求是非常的高，无形的又提高了材料的制备成本，根据现有硫化锂材料制备的专利报道，在生产制备硫化锂的过程中都会产生或使用硫化氢气体，一方面会对环境造成污染，另一方面也会对人身安全造成威胁。而第二种方法既能制备出均匀的碳/硫化锂复合材料，又能避免直接使用对水分及其敏感和昂贵的硫化锂。但直接用硫酸锂与碳或含碳有机物高温碳热还原制得碳/硫化锂复合材料，存在硫酸锂的颗粒比较大，硫酸锂的颗粒无法非常均匀地分散在碳前躯体中，并且在碳热还原后制得的硫化锂颗粒也会比较大，最终会严重影响所制复合材料的电化学性能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种活性物质分散性好的碳/硫化锂复合材料的制备方法。

本发明提供了一种碳/硫化锂复合材料的制备方法，包括：

s1)将有机硫酸锂与第一高分子聚合物在溶剂中混合，得到混合溶液；

s2)将所述混合溶液经喷雾干燥或静电纺丝后得到前驱体复合材料；

s3)将所述前驱体复合材料在保护气氛中高温碳化，得到碳/硫化锂复合材料。

优选的，所述有机硫酸锂为十二烷基硫酸锂；所述第一高分子聚合物选自聚丙烯腈、聚苯胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇与聚丙烯酰胺中的一种或多种；所述溶剂选自乙醇、水、二甲基甲酰胺与n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

优选的，所述步骤s1)具体为：

将有机硫酸锂与第一溶剂混合，得到有机硫酸锂溶液；

将第一高分子聚合物与第二溶剂混合，得到第一高分子聚合物溶液；

将有机硫酸锂溶液与第一高分子聚合物溶液混合，得到混合溶液；

所述有机硫酸锂与第一溶剂的质量比为1：(4～20)；

所述第一高分子聚合物溶液的浓度为8～25wt％；

所述有机硫酸锂溶液与第一高分子聚合物溶液的质量比为1：(0.5～5)。

优选的，所述步骤s1)中混合后进行高能球磨；所述高能球磨的转速为400～1100r/min；所述高能球磨的时间为6～20h。

优选的，所述步骤s2)具体为：

以所述混合溶液为芯层纺丝溶液，以第二高分子聚合物溶液为壳层纺丝溶液，进行同轴静电纺丝，得到前驱体复合材料。

优选的，所述第二高分子聚合物溶液的浓度为5～20wt％。

优选的，所述同轴静电纺丝时，芯层纺丝溶液的纺丝速度为5～20μl/min；壳层纺丝溶液的纺丝速度为8～20μl/min。

优选的，所述同轴静电纺丝的纺丝电压为12～30kv；接收距离为10～20cm；滚轴转速为200～800r/min。

优选的，所述喷雾干燥的温度为80℃～300℃。

优选的，所述高温碳化的温度为500℃～900℃；时间为1～10h；升温速率为1～20℃/min。

本发明提供了一种碳/硫化锂复合材料的制备方法，包括：s1)将有机硫酸锂与第一高分子聚合物在溶剂中混合，得到混合溶液；s2)将所述混合溶液经喷雾干燥或静电纺丝后得到前驱体复合材料；s3)将所述前驱体复合材料在保护气氛中高温碳化，得到碳/硫化锂复合材料。与现有技术相比，本发明以有机硫酸锂作为碳源，其含有有机基团，在高温碳化过程中会变成碳，并与硫酸锂均匀地复合或镶嵌在一起，利用自带有机长链，在高温热还原的过程中既提供了硫酸锂，又提供了丰富的碳源，因此可将原位热还原后的硫化锂均匀的分散在碳材料中，同时还可有效地防止硫化锂的团聚，控制硫化锂颗粒的大小，进而提高复合材料的电化学性能。

进一步本发明还使用了静电纺丝的方法，利用高分子聚合物包覆有机硫酸锂，一方面可提供充足的碳源，另一方面也有利于热还原后的硫酸锂能更加均匀分布。

附图说明

图1为本发明实施例1中得到的十二烷基硫酸锂/聚丙烯腈静电纺丝的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料的扫描电镜图；

图3为本发明实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料的x射线衍射图；

图4为本发明实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料的充放电曲线图；

图5为本发明实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料的在0.1c电流密度下的循环曲线和库伦效率图；

图6为本发明实施例4中得到的碳/硫酸锂复合材料的x射线衍射图；

图7为本发明实施例4中得到的碳/硫酸锂复合材料的充放电曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种碳/硫化锂复合材料的制备方法，包括：s1)将有机硫酸锂与第一高分子聚合物在溶剂中混合，得到混合溶液；s2)将所述混合溶液经喷雾干燥或静电纺丝后得到前驱体复合材料；s3)将所述前驱体复合材料在保护气氛中高温碳化，得到碳/硫化锂复合材料。

本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。

其中，所述有机硫酸锂为本领域技术人员熟知的有机硫酸锂即可，并无特殊的限制，本发明中优选为烷基硫酸锂；所述烷基硫酸锂的碳原子数优选为8～20个，更优选为10～16个，再优选为12～14个，最优选为12个，即为十二烷基硫酸锂；所述第一高分子聚合物为本领域技术人员熟知的高分子聚合物即可，并无特殊的限制，本发明中优选为聚丙烯腈、聚苯胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇与聚丙烯酰胺中的一种或多种；所述第一高分子聚合物的数均分子量优选为3000～20000，更优选为4000～15000，再优选为4000～10000；所述溶剂为本领域技术人员熟知的溶剂即可，并无特殊的限制，本发明中优选为乙醇、水、二甲基甲酰胺与n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

按照本发明，优选先将有机硫酸锂与第一溶剂混合，得到有机硫酸锂溶液；将第一高分子聚合物与第二溶剂混合，得到第一高分子聚合物溶液；然后再将有机硫酸锂溶液与第一高分子聚合物溶液混合，得到混合溶液；所述第一溶剂与第二溶剂各自独立地为乙醇、水、二甲基甲酰胺与n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种；所述有机硫酸锂与第一溶剂的质量比优选为1：(4～20)，更优选为1：(4～15)，再优选为1：(4～10)，最优选为1：(4～8)；所述第一高分子聚合物溶液的浓度优选为8～25wt％，更优选为10～25wt％，再优选为10～20wt％，最优选为16～20wt％；在本发明提供的一些实施例中，所述第一高分子聚合物溶液的浓度优选为10wt％；在本发明提供的另一些实施例中，所述第一高分子聚合物溶液的浓度优选为18wt％；所述有机硫酸锂溶液与第一高分子溶液的质量比优选为1：(0.5～5)，更优选为1：(1～4)，再优选为1：(1～3)，最优选为1：(1～2.5)；所述混合的方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制，本发明中优选为搅拌混合；所述搅拌的时间优选为30～120min，更优选为40～100min，再优选为60～80min；混合后，优选进行超声；所述超声的功率优选为0.1～5kw，更优选为0.2～3kw，再优选为0.3～2kw，最优选为0.6～1kw；所述超声的时间优选为10～60min，更优选为20～40min，再优选为30min；然后优选进行高能球磨；所述高能球磨的转速优选为400～1100r/min，更优选为700～900r/min；所述高能球磨的时间优选为6～20h，更优选为8～16h，再优选为8～12h。

将所述混合液经喷雾干燥或静电纺丝后得到前驱体复合材料；所述喷雾干燥的温度优选为80℃～300℃，更优选为100℃～250℃，再优选为100℃～200℃，最优选为100℃～180℃；所述静电纺丝的方法为本领域技术人员熟知的方法即可，并无特殊的限制，所述静电纺丝的电压优选为12～30kv，更优选为15～25kv，再优选为15～20kv，最优选为15～18kv；所述静电纺丝的接收距离优选为10～20cm，更优选为12～18cm，再优选为12～16cm，最优选为12～15cm；滚轴转速优选为200～800r/min，更优选为300～700r/min，再优选为400～600r/min，最优选为400～500r/min；在本发明中优选采用同轴静电纺丝，以所述混合溶液为芯层纺丝溶液，以第二高分子聚合物溶液为壳层纺丝溶液；所述第二高分子聚合物溶液的浓度优选为5～20wt％，更优选为5～15wt％，再优选为7～12wt％，最优选为8～10wt％；所述第二高分子聚合物溶液中的溶质优选为聚丙烯腈、聚苯胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇与聚丙烯酰胺中的一种或多种；所述第二高分子聚合物的数均分子量优选为3000～20000；所述第二高分子聚合物溶液中的溶质优选为乙醇、水、二甲基甲酰胺与n-甲基吡咯烷酮中的一种或多种；所述芯层纺丝溶液的纺丝速度优选为5～20μl/min，更优选为5～18μl/min，再优选为5～15μl/min，最优选为5～10μl/min；所述壳层纺丝溶液的纺丝速度优选为8～20μl/min；更优选为10～18μl/min，再优选为10～15μl/min。

将所述前驱体复合材料在保护气氛中高温碳化；所述保护气氛为本领域技术人员熟知的保护气氛即可，本发明中优选为氮气、氩气、氦气与氖气中的一种或多种，更优选为氮气和/或氩气；所述高温碳化的温度优选为500℃～900℃，更优选为600℃～900℃，再优选为700℃～850℃，最优选为700℃～820℃；所述高温碳化的时间优选为1～10h，更优选为2～8h，再优选为2～6h，最优选为2～4h；所述高温碳化的升温速率优选为1～20℃/min，更优选为1～15℃/min，再优选为1～10℃/min，再优选为2～8℃/min，最优选为2～5℃/min。本发明在高温下直接发生原位碳热还原反应生成硫化锂，采用原位合成法相比于先合成硫化锂再与碳复合或直接选用硫酸锂与碳源高温热还原所制得的碳/硫化锂复合材料，制备出来的硫化锂分散更为均匀，颗粒更细小。

高温碳化后，冷却至室温，得到碳/硫化锂复合材料。

本发明以有机硫酸锂作为碳源，其含有有机基团，在高温碳化过程中会变成碳，并与硫酸锂均匀地复合或镶嵌在一起，利用自带有机长链，在高温热还原的过程中既提供了硫酸锂，又提供了丰富的碳源，因此可将原位热还原后的硫化锂均匀的分散在碳材料中，同时还可有效地防止硫化锂的团聚，控制硫化锂颗粒的大小，进而提高复合材料的结构稳定性与电化学性能，将其用作锂硫电池正极材料具有较高的比容量以及优异的循环和倍率性能。

进一步本发明还使用了静电纺丝的方法，利用高分子聚合物包覆有机硫酸锂，一方面可提供充足的碳源，另一方面也有利于热还原后的硫酸锂能更加均匀分布。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种碳/硫化锂复合材料的制备方法进行详细描述。

以下实施例中所用的试剂均为市售，实施例中所用高分子聚合物的数均分子量在3000～20000之间。

实施例1

称取质量比为1：4的十二烷基硫酸锂和二甲基甲酰胺溶液搅拌混合后，将其转移至同等质量的10％聚丙烯腈(数均分子量为4000)溶液中快速搅拌1h，然后用大功率超声机(功率为0.9kw)超声30min，最后将混合液转移至900r/min的高能球磨中球磨12h即可得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯腈的混合溶液。将该混合液作为静电纺丝的内轴纺丝液即芯层纺丝液，8％聚丙烯腈(数均分子量为4000)溶液为外轴纺丝液即壳层纺丝液，内外轴的纺丝液流速分别为5μl/min和10μl/min，纺丝电压为18kv，滚轴接收距离为12cm，滚轴转速为500r/min。将纺好的丝干燥过后，置于通有氩气气氛的管式炉中以2℃/min的升温速率820℃碳化保温处理3h，冷却至室温后即得到碳/硫化锂复合正极材料并立即转移至水氧值都在0.1ppm以下的手套箱中。

利用扫描电镜对实施例1中得到的十二烷基硫酸锂/聚丙烯腈静电纺丝进行分析，得到其扫描电镜图，如图1所示。

利用扫描电镜对实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料进行分析，得到其扫描电镜图，如图2所示。

利用x射线衍射对实施例1中得到的碳/硫酸锂复合材料进行分析，得到其x射线衍射图，如图3所示。

将制备好的碳/硫化锂复合正极材料、导电炭黑和粘结剂(pvdf)按质量比8：1:1均匀混合共800mg，在加入1.8ml的n-甲基吡咯烷酮(nmp)在氩气气氛下球磨搅拌制成浆料，然后将混好的浆料用125μm的刮倒涂覆在涂炭铝箔上，经过80℃烘烤12h后，再进行切片、压片和称量即制得正极极片。将该锂硫正极极片与金属锂片于手套箱中组装成2032扣式电池，隔膜为多孔pp膜(celgard2400)，电解液为添加1％lino3的1mlitfsidme:dol＝1：1(v/v)。将组装好的电池静置3～4小时后进行充放电测试，在充放电测试之前，每个电池都先在0.05c的电流密度下充电至3.8v再放电到1.7v进行充分活化，然后在1.7～3.0v之间循环充放电，得到其充放电曲线图如图4所示，得到其在0.1c电流密度下的循环曲线和库伦效率图如图5所示。该电池在循环充放电100次后仍有的308mah/g的比容量。

实施例2

称取质量比为1：4的十二烷基硫酸锂和二甲基甲酰胺溶液搅拌混合后，将其转移至同等质量的10wt％聚丙烯腈(数均分子量为4000)溶液中快速搅拌1h，然后用大功率超声机(功率为0.9kw)超声30min，最后将混合液转移至900r/min的高能球磨中球磨12h即可得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯腈的混合溶液。将该混合液作为静电纺丝的内轴纺丝液，8wt％聚丙烯腈(数均分子量为4000)溶液为外轴纺丝液，内外轴的纺丝液流速分别为5μl/min和12μl/min，纺丝电压为15kv，滚轴接收距离为12cm，滚轴转速为500r/min。将纺好的丝干燥过后，置于通有氩气气氛的管式炉中以2℃/min的升温速率820℃碳化保温处理3h，冷却至室温后即得到碳/硫化锂复合正极材料并立即转移至水氧值都在0.1ppm以下的手套箱中。

将制备好的碳/硫化锂复合正极材料、导电炭黑和粘结剂(pvdf)按质量比例8：1：1均匀混合共800mg，在加入1.8ml的n-甲基吡咯烷酮(nmp)在氩气气氛下球磨搅拌制成浆料，然后将混好的浆料用125μm的刮倒涂覆在涂炭铝箔上，经过80℃烘烤12h后，再进行切片、压片和称量即制得正极极片。将该锂硫正极极片与金属锂片于手套箱中组装成2032扣式电池，隔膜为多孔pp膜(celgard2400)，电解液为添加1％lino3的1mlitfsidme:dol＝1：1(v/v)。将组装好的电池静置3-4小时(具体的值)后进行充放电测试，在充放电测试之前，每个电池都先在0.05c的电流密度下充电至3.8v再放电到1.7v进行充分活化，然后在1.7～3.0v之间循环充放电。该电池在循环充放电100次后仍有的320mah/g的比容量。

实施例3

称取质量比为1：4的十二烷基硫酸锂和二甲基甲酰胺溶液搅拌混合后，将其转移至同等质量的10wt％聚苯胺(数均分子量为10000)溶液中快速搅拌1h，然后用大功率超声机(功率为0.9kw)超声30min，最后将混合液转移至900r/min的高能球磨中球磨12h即可得到十二烷基硫酸锂/聚苯胺的混合溶液。将该混合液作为静电纺丝的内轴纺丝液，8wt％聚苯胺(数均分子量为10000)溶液为外轴纺丝液，内外轴的纺丝液流速分别为5μl/min和15μl/min，纺丝电压为18kv，滚轴接收距离为12cm，滚轴转速为500r/min。将纺好的丝干燥过后，置于通有氩气气氛的管式炉中以2℃/min的升温速率820℃碳化保温处理3h，冷却至室温后即得到碳/硫化锂复合正极材料并立即转移至水氧值都在0.1ppm以下的手套箱中。

将制备好的碳/硫化锂复合正极材料、导电炭黑和粘结剂(pvdf)按质量比例8：1：1均匀混合共800mg，在加入1.8ml的n-甲基吡咯烷酮(nmp)在氩气气氛下球磨搅拌制成浆料，然后将混好的浆料用125μm的刮倒涂覆在涂炭铝箔上，经过80℃烘烤12h后，再进行切片、压片和称量即制得正极极片。将该锂硫正极极片与金属锂片于手套箱中组装成2032扣式电池，隔膜为多孔pp膜(celgard2400)，电解液为添加1％lino3的1mlitfsidme:dol＝1：1(v/v)。将组装好的电池静置3～4小时后进行充放电测试，在充放电测试之前，每个电池都先在0.05c的电流密度下充电至3.8v再放电到1.7v进行充分活化，然后在1.7～3.0v之间循环充放电。该电池在循环充放电100次后仍有的300mah/g的比容量。

实施例4

称取质量比为1：4的十二烷基硫酸锂和去离子水溶解混合后，将其转移至同等质量的18wt％聚丙烯酸(数均分子量为6000)溶液中快速搅拌1h，然后用大功率超声机(功率为0.9kw)超声30min，最后将混合液转移至900r/min的高能球磨中球磨12h即可得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸的混合溶液。将该混合液利用喷雾干燥器在160℃下喷雾干燥得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸混合粉末，将制得的十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸混合粉末置于通有氩气气氛的管式炉中以2℃/min的升温速率820℃碳化保温处理3h，冷却至室温后即得到碳/硫化锂复合正极材料并立即转移至水氧值都在0.1ppm以下的手套箱中。

利用x射线衍射对实施例4中得到的碳/硫化锂复合材料进行分析，得到其x射线衍射图，如图6所示。

将制备好的碳/硫化锂复合正极材料、导电炭黑和粘结剂(pvdf)按质量比例8：1：1均匀混合共800mg，在加入1.8ml的n-甲基吡咯烷酮(nmp)在氩气气氛下球磨搅拌制成浆料，然后将混好的浆料用125μm的刮倒涂覆在涂炭铝箔上，经过80℃烘烤12h后，再进行切片、压片和称量即制得正极极片。将该锂硫正极极片与金属锂片于手套箱中组装成2032扣式电池，隔膜为多孔pp膜(celgard2400)，电解液为添加1％lino3的1mlitfsidme:dol＝1：1(v/v)。将组装好的电池静置3-4小时后进行充放电测试，在充放电测试之前，每个电池都先在0.05c的电流密度下充电至3.8v再放电到1.7v进行充分活化，然后在1.7～3.0v之间循环充放电，得到其充放电曲线图如图7所示。该电池在循环充放电50次后仍有的390mah/g的比容量。

实施例5

称取质量比为1：4的十二烷基硫酸锂和去离子水溶解混合后，将其转移至同等质量的18wt％聚丙烯酸(数均分子量为6000)溶液中快速搅拌1h，然后用大功率超声机超声(功率为0.9kw)30min，最后将混合液转移至900r/min的高能球磨中球磨12h即可得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸的混合溶液。将该混合液利用喷雾干燥器在120℃下喷雾干燥得到十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸混合粉末，将制得的十二烷基硫酸锂/聚丙烯酸混合粉末置于通有氩气气氛的管式炉中以2℃/min的升温速率820℃碳化保温处理3h，冷却至室温后即得到碳/硫化锂复合正极材料并立即转移至水氧值都在0.1ppm以下的手套箱中。

将制备好的碳/硫化锂复合正极材料、导电炭黑和粘结剂(pvdf)按质量比例8：1：1均匀混合共800mg，在加入1.8ml的n-甲基吡咯烷酮(nmp)在氩气气氛下球磨搅拌制成浆料，然后将混好的浆料用125μm的刮倒涂覆在涂炭铝箔上，经过80℃烘烤12h后，再进行切片、压片和称量即制得正极极片。将该锂硫正极极片与金属锂片于手套箱中组装成2032扣式电池，隔膜为多孔pp膜(celgard2400)，电解液为添加1％lino3的1mlitfsidme:dol＝1：1(v/v)。将组装好的电池静置3～4小时后进行充放电测试，在充放电测试之前，每个电池都先在0.05c的电流密度下充电至3.8v再放电到1.7v进行充分活化，然后在1.7～3.0v之间循环充放电。该电池在循环充放电50次后仍有的376mah/g的比容量。