(19)中华人民共和国国家知识产权局
| (12)发明专利说明书 | |
| (10)申请公布号 CN 103715403 A (43)申请公布日 2014.04.09 |
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(21)申请号 CN201310699775.8
(22)申请日 2013.12.18
(71)申请人 湘潭大学
地址 411105 湖南省湘潭市西郊羊牯塘
(72)发明人 潘勇 潘俊安 谢淑红 马增胜 成娟娟 雷维新 蒋志杰 伍成
(74)专利代理机构 长沙市融智专利事务所
代理人 袁靖
(51)Int.CI
H01M4/36
H01M4/13
(54)发明名称
(57)摘要
本发明公开了一种基于蛭石的锂硫电池正极材料及其制备和应用方法，该正极材料以蛭石为骨架，将单质硫注入蛭石中得到的载硫复合材料，再对该载硫复合材料进行导电物质包覆。利用蛭石能够有效减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电过程中的体积膨胀，改善了锂硫电池的循环性能。导电物质包覆增强了材料的导电性，提高了锂硫电池的容量。本发明制备工艺简单，并且蛭石属于天然的环保材料，成本低廉，利于锂硫电池产业化。同时，蛭石的引入也推动了非金属矿物的产业转型与升级。 | |
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法律状态
法律状态公告日 | 法律状态信息 | 法律状态 |
2022-12-02 | 未缴年费专利权终止IPC(主分类):H01M 4/36专利号:ZL2013106997758申请日:20131218授权公告日:20150812 | 专利权的终止 |
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权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，是以蛭石粉末材料为骨架，将单质 硫注入蛭石孔中得到的载硫复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，蛭石粉末粒径范 围小于200μm。
3.根据权利要求1所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，再对所述的载硫 复合材料进行导电物质包覆；所述的导电物质包括金属元素或导电聚合物。
4.根据权利要求3所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，金属元素包括： 银、铜、金、铝、钼、钨、锌、镍、铁、铂或锡；导电聚合物包括：聚乙炔、聚噻吩、聚吡 咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯、聚双炔。
5.根据权利要求3或4所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料，其特征在于，包覆的导电 物质厚度为10nm-10μm。
6.一种基于蛭石的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）预处理蛭石：对粒径范围小于200μm的蛭石粉末用去离子水进行清洗，再对其超声 振荡1-2h；然后放进烘箱中85-100℃干燥10-24h；将蛭石粉末加入1-10mol/L HCl溶液中酸 洗处理2h，清洗；将蛭石粉末在真空条件下在100-150℃保温1-2h，在真空条件下冷却至室 温，得到纯化后的蛭石粉末材料；
2）注硫：采用真空热处理法、保护气氛热处理法、化学法、溶剂交换法中的一种对蛭石
粉末进行注硫。
7.根据权利要求6所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤 2）中真空热处理法的步骤如下：a、真空状态下熔融单质硫注入蛭石粉末的孔隙中；b、然后 继续在真空状态下加热将蛭石表面多余的硫升华，冷却至室温，干燥。
8.根据权利要求7所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤 a中，真空熔融注硫工艺的真空度范围在0.1-100Pa，单质硫在真空中液化的反应温度在40-100 ℃，反应时间1-3h；步骤b中，真空度范围在0.1-100Pa，气化的反应温度在60℃-120℃，反 应时间10-30min。
9.权利要求1-5任一项所述的基于蛭石的锂硫电池正极材料的应用方法，其特征在于， 所述的材料用于制备锂硫电池的正极。
说 明 书
<p>技术领域
本发明属于新能源材料领域，特别是涉及一种基于蛭石的锂硫电池正极材料及其制备和应 用方法。
背景技术
随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，高能量密度、低成本的可再生能源系 统的开发逐渐成为人们研究的重点。由于单质硫具有高比容量、价格低、环境友好以及密度 轻等特点，被认为是一种优良的锂电池正极材料。锂硫电池以单质硫作为正极反应物质，金 属锂作为负极，理论能量密度能达到2600Wh/kg。与传统的锂离子电池相比，锂硫电池能够 实现其3到5倍的能量密度，因而成为人们当前关注的焦点。
尽管如此，锂硫电池依旧存在以下三个方面的问题：(1)锂硫电池充放电过程产生的多硫 化锂易溶于有机电解液，使电极的活性物质逐渐减少，且由于穿梭原理，溶解的多硫化锂会 穿过隔膜达到电池的负极锂片上，生成的硫化锂等产物导电性差且不溶解，从而引起电池负 极的腐蚀和电池内阻的增加，导致电池的循环性能变差，容量逐步衰减。(2)硫的导电性差， 不利于电池的高倍率性能，正极为100%硫的Li/S电池在室温时不可能充放电，这是因为硫 的离子导电性和电子导电性都很低，导致电极中硫的电化学性能不佳及
利用率低等问题，一 般将硫与碳或其他导电材料复合可以解决其导电差的问题。(3)硫在充放电过程中，体积的扩 大缩小非常大，有可能导致电池损坏，因为在循环过程中，锂硫电池中硫电极的体积形变高 达22%，可能使硫电极内部产生微裂纹。这种微裂纹的存在及绝缘相Li<sub>2</sub>S在裂纹处的生成破坏 了电极的整体性，最终加剧锂硫电池的容量衰减。
目前，为了克服锂硫电池容量衰减的问题，人们主要从以下三个方面进行改进：(1)抑 制多硫化物过多的溶解，主要通过设计导电相的结构使其具有吸附多硫化物的能力，或者改 进电池的电解液体系；(2)添加一种或多种电子导体与硫复合达到提高导电性的目的；(3)锂负 极的保护。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种正极材料，其首次成功采用蛭石载硫材料制备锂硫电池正 极，还提供了该材料的制备和应用方法。该材料能够减少多硫化物的溶解并抑制硫在充放电 过程中的体积膨胀，改善锂硫电池的循环性能，而且与一般的人工合成的多孔载硫材料制备 的正极相比，性能要优越得多。此外，蛭石的价格低廉、量大，而且由于
是天然产物，无需 合成，获取方便。
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