锂硫基陶瓷固体电解质的另一侧；
[0086] (6)在嵌入了纳米级单质硫的二氧化钛纳米管与嵌入了钝化单质锂的二氧化钛纳 米管外侧分别粘接一个表面涂覆有石墨烯的铝箱，分别作为正极集流体和负极集流体。
[0087] 实施例2
[0088] -种锂硫电池，其制备方法包括如下步骤：
[0089] (1)制备锂氧基陶瓷固体电解质；尺寸为5x5(长X宽，单位cm)，厚度700微米 (ym)；
[0090] (2)以锂氧基陶瓷固体电解质为模板，在锂氧基陶瓷固体电解质两侧制备二氧化 钛纳米管；纳米管阵列高度200 μ m~300 μ m，半径为50nm~IOOnm ;
[0091] (3)在锂氧基陶瓷固体电解质一侧的二氧化钛纳米管中嵌入纳米级单质硫粉体 (粒径不大于30nm)和导电剂；导电剂石墨稀与单质硫的质量百分比（wt% )比为5 :95 ;导 电剂和单质硫总质量与CS2溶液体积的比例为500g :1. IL ;
[0092] (4)在锂氧基陶瓷固体电解质另一侧的二氧化钛纳米管中嵌入FMC公司的稳定钝 化单质锂粉末（SLMP);
[0093] (5)在嵌入了纳米级单质硫的二氧化钛纳米管与嵌入了钝化单质锂的二氧化钛纳 米管外侧分别粘接一个表面涂覆有石墨烯的铜箱，分别作为正极集流体和负极集流体。
[0094] 实施例3
[0095] -种锂硫电池，其制备方法包括如下步骤：
[0096] (1)制备锂硫基陶瓷固体电解质；尺寸为20xl0(长X宽，单位cm)，厚度600~ 1200 微米（μm);
[0097] (2)采用电化学阳极氧化法在单面抛光的金属Ti片上制备二氧化钛纳米管阵列； 纳米管阵列高度200 μ m~300 μ m，半径为80nm~120nm ;
[0098] (3)在一片二氧化钛纳米管阵列中嵌入纳米级单质硫粉体（粒径不大于30nm)和 导电剂；导电剂聚吡咯与单质硫的质量百分比（Wt% )比为7 :93 ;导电剂和单质硫总质量 与CS2溶液体积的比例为为500g :1. 2L ;
[0099] (4)在另一片二氧化钛纳米管阵列中嵌入FMC公司的稳定钝化单质锂粉末 (SLMP)；
[0100] (5)将嵌入了纳米级单质硫的二氧化钛纳米管阵列一侧粘接在锂硫基陶瓷固体电 解质的一侧，将嵌入了钝化单质锂的二氧化钛纳米管阵列一侧粘接在锂硫基陶瓷固体电解 质的另一侧；
[0101] (6)在两个Ti片上没有二氧化钛纳米管阵列的一侧金属面上分别涂上石墨烯，分 别作为正极集流体和负极集流体。
[0102] 实施例4
[0103] -种锂硫电池，其制备方法包括如下步骤：
[0104] (1)制备锂氧基陶瓷固体电解质；尺寸为5x5(长X宽，单位cm)，厚度700微米 (ym)；
[0105] (2)采用二茂铁为催化剂前驱体，制备碳纳米管；纳米管阵列高度100 μπι~ 200 μ m，半径为 20nm ~50nm ;
[0106] (3)在一部分碳纳米管中嵌入纳米级单质硫粉体（粒径不大于30nm)和导电剂； 导电剂ECP-600JD(30nm)与单质硫的质量百分比（wt% )比为8 :92 ;导电剂和单质硫的总 质量与CS2溶液体积的比例为500g :1. 3L ;
[0107] (4)在其余碳纳米管中嵌入FMC公司的稳定钝化单质锂粉末（SLMP);
[0108] (5)将嵌入了纳米级单质硫的碳纳米管粘接在锂氧基陶瓷固体电解质的一侧，将 嵌入了钝化单质锂的碳纳米管粘接在锂硫基陶瓷固体电解质的另一侧；
[0109] (6)在嵌入了纳米级单质硫的碳纳米管与嵌入了钝化单质锂的碳纳米管外侧分别 粘接一个三维连通石墨烯网络结构集流体（购于中国科学院金属研究所），分别作为正极 集流体和负极集流体。
[0110] 将采用上述实施例方法制备得到的锂硫电池与市售常规电池进行电性能测试比 较，结果如下：
[0111] (1)锂硫电池能量密度远远高于普通电池，各种电池理论能量密度和实际能量密 度如下表所示：
[0112] 表1各种电池理论能量密度和实际能量密度比较数据表
[0113]
[0114]
[0115] (2)采用纳米阵列结构新工艺的锂硫电池大大增加了电池的寿命，有序的结构使 得锂离子交换具有对号入座的特性，避免了常规电池正负极无序结构所造成的锂离子交换 崩溃拥堵和结构坍塌现象，并且能适应_60°C至800°C环境温度下充放电。循环次数对比如 下表所示：
[0116] 表2各种电池循环次数比较数据表
[0117]
[0118]
[0119] (3)由于采用纳米管阵列的有序结构和新材料石墨烯超级导电性能，使得常本发 明方法制备得到的锂硫电池拥有充电极为快速的特性，由小时级别提高到分钟级别，解决 了现实中动力电池的瓶颈之一充电粧的问题。充电时间数据对比如下表所示：
[0120] 表3各种电池充电时间比较数据表
[0121]
[0122] 此外，常规铅酸电池为高污染电池，常规磷酸铁锂电池因为是液体电解质所以易 燃易爆，而采用本发明方法制备得到的锂硫电池由于采用固体电解质，故无污染、自放电率 低且安全，其不会由于过充或过放电而发生意外，不会因内部短路而起火燃烧；相同规格的 电池组，比如330V，300AH的电动中巴车，常规铅酸电池重量将达到3. 64t，常规磷酸铁锂 lt，而采用本发明方法制备的锂硫电池只有0. 5t。
[0123] 通过上述结果可以看出，采用本发明方法制备得到的锂硫电池具有比能量大、成 本低、体积小、重量轻、安全性好、循环寿命长、充电时间短、无污染、自放电率低等优点。
[0124] 尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的 精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中 包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
【主权项】
1. 一种锂硫电池，其特征在于，包括如下结构： 在固体电解质两侧分别固定设置一层纳米管，在其中一侧纳米管中均匀嵌入单质硫， 在另一侧纳米管中均匀嵌入单质锂，所述两层纳米管外侧分别与一个集流体固定相连。2. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述固体电解质为锂硫基陶瓷 固体电解质或锂氧基陶瓷固体电解质，所述固体电解质中含有氧化锆。3. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述纳米管层为无序纳米管层 或纳米管阵列。4. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述纳米管为二氧化钛纳米管 或碳纳米管。5. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述单质硫为纳米级单质硫。6. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述单质锂为钝化单质锂。7. 根据权利要求1所述的一种锂硫电池，其特征在于，所述集流体为外侧涂有石墨烯 的合金、外侧涂有石墨烯的金属单质或三维连通石墨烯网络结构集流体。8. 如权利要求1-7任一所述的一种锂硫电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 固体电解质的制备； (2) 纳米管的制备； (3) 嵌入单质硫及嵌入单质锂； (4) 集流体的制备。9. 根据权利要求8所述的一种锂硫电池的制备方法，其特征在于，采用粘接或生长的 方式在固体电解质两侧制备纳米管。10. 根据权利要求9所述的一种锂硫电池的制备方法，其特征在于，所述粘接为将已经 嵌入单质硫的纳米管喷涂或粘接在固体电解质一侧表面，将已经嵌入单质锂的纳米管喷涂 或粘接在固体电解质另一侧表面；所述生长为以固体电解质为基底，在固体电解质两侧分 别生长纳米管。
【专利摘要】本发明提供了一种锂硫电池及其制备方法，属于新能源技术领域。本发明锂硫电池，包括如下结构：在固体电解质两侧分别固定设置一层纳米管，在其中一侧纳米管中均匀嵌入单质硫，在另一侧纳米管中均匀嵌入单质锂，所述两层纳米管外侧分别与一个集流体固定相连。本发明锂硫电池具有能量密度高、成本低、体积小、重量小、寿命长、使用安全无污染且充电时间短等优点。本发明锂硫电池的制备方法，包括如下步骤：(1)固体电解质的制备；(2)纳米管的制备；(3)嵌入单质硫及嵌入单质锂；(4)集流体的制备。该方法工艺简单，对环境无污染，成本低，适于大面积推广。
【IPC分类】H01M4/66, H01M10/0562, H01M4/38, H01M10/0525, H01M10/058
【公开号】CN105047988
【申请号】CN201510321385
【发明人】马光雷
【申请人】马光雷
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年6月12日