锂硫电池用聚硫化物正极材料、设备制作方法及应用与设计方案

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本技术介绍了一种锂硫电池用聚硫化物正极材料、制备方法及应用，属于锂硫电池电极材料技术领域。该制备方法为：以氢氧化钠、硫粉和卤代烷为原料，调控结构导向剂的种类以及界面反应，制备具有高能量、高功率、高稳定性的锂硫电池用聚硫化物电极材料。本技术的材料应用于锂硫电池正极，不仅提高了材料的导电性，而且有效的缓解了体积膨胀，抑制了多硫化锂的产生，将穿梭效应减少至接近零，保证了优异的循环性能和倍率性能，使复合材料达到了较长的循环稳定性。是一种工艺流程简单、安全、环保，具有大规模生产潜力的锂硫电池正极材料。

技术要求

1.一种锂硫电池用聚硫化物正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将硫粉加入氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液的浓度为0.5～2.0mol/L，硫粉质量与氢氧

化钠溶液体积的比值为1-5g：30-80ml，温度为90-120℃，搅拌溶解；

(2)向步骤(1)的溶液中加入去离子水和无水乙醇，搅拌均匀；

(3)向步骤(2)中加入氯烷烃，所述的氯烷烃体积用量与硫粉质量比值为0.5-2.0ml：1-5g，反应温度为30-90℃，反应时间为3-10h；

(4)待反应完成后，离心、洗涤、干燥，得到锂硫电池聚硫化物正极材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，所述的步骤(2)的去离子水和无水乙醇的体积用量与硫粉质量的比值为10-20ml：3-10ml：1-5g。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中还加入结构导向剂，搅拌均匀。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)的结构导向剂为表面活性剂、氧化石墨烯、碳纳米管、导电炭黑中的一种或两种以上；所述表面活性剂为F127、聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种以上。

5.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)的氯烷烃为氯甲烷、氯乙烷、氯丙烷、氯丁烷中的一种或两种以上。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)的氯烷烃为氯甲烷、氯乙烷、氯丙烷、氯丁烷中的一种或两种以上。

7.权利要求1-6任一所述方法制备的锂硫电池用聚硫化物正极材料，其特征在于，所述聚硫化物中硫含量为45-85wt％，多硫键中硫数量为2-8。

8.根据权利要求7所述的聚硫化物正极材料，其特征在于，所述聚硫化物的形貌为球形、纤维状和片状，其片状聚硫化物为多孔结构。

9.权利要求1-6任一所述方法制备的锂硫电池用聚硫化物正极材料的应用，其特征在于，聚硫化物应用于锂硫电池，所用的电解液无需任何添加剂。

技术说明书

一种锂硫电池用聚硫化物正极材料、制备方法及应用

技术领域

本技术属于锂电池电极材料领域，具体涉及一种聚硫化物纳米材料作锂电池正极材料及制备方法和应用。

背景技术

面对化石能源枯竭和环境恶化的双重问题，可持续的新能源产业走进了我们的视野。锂硫电池相比于传统的锂离子电池，以适中的成本和可逆地储存高达 2500Wh/kg或

2800Wh/L的超高能量密度作为未来锂电池的重点研究对象。锂硫电池是以硫为正极，金属锂作为负极，通过S-S键的断裂和生成实现电能与化学能的相互转化，正负极完全反应时每个硫原子转移两个电子，理论比容量可高达 1675mAh/g。尽管锂硫电池具有巨大的理论容量和能量密度优势，但目前仍处于研发的早期阶段，限制其大规模应用和推广主要是由其独有的“多硫化锂穿梭效应”引起的安全性差和寿命短造成的。

锂硫电池“穿梭效应”由单质硫电极的固-液-固两个相转化反应引起：放电时负极锂失去电子变为锂离子，环状硫分子S8的S-S键断裂生成可溶性的长链多硫化锂Li2S8和Li2S6，随着硫的进一步还原，断裂成较短链的Li2S4、Li2S3和Li2S2，最终到放电终产物固态

Li2S，分别对应于2.4-2.1V和2.1-1.5V处的两个电压平台；可溶性的长链多硫化锂可穿过隔膜迁移到负极被还原成短链多硫化锂，部分还原产物因浓度梯度又扩散回正极。这

种“穿梭效应”会造成活性物质损失、硫化锂在负极沉积、库伦效率降低以及自放电现象，而硫化锂在锂负极沉积又会导致 SEI(固体电解质界面)膜反复形成-破裂，消耗电解液的溶剂，最终导致电池安全性差和循环寿命短。目前，锂硫电池的主流设计思路是以单质硫为活性物质，采用物理或(和)化学屏障束缚多硫化锂中间体，这种类似“体外透析”的被动阻隔方法能够很大程度上减缓“穿梭效应”，但无法根本解决。近年来，科学研究人员提出了有机硫化物正极材料的概念，通过-S-S-键的断裂和键合的充放电基本原理实现了高效的储能和放能。由于C-S键能大于S-S键，因此通过调控多硫键中的硫含量可以将固-液-固反应转变为固-固反应进而抑制多硫化物的生成。然而目前大部分有机硫化物中硫组分均不能得到较好的控制并且制备的材料导电性较差，使得最终电池具有较低的比容量。因此，如何找到一种工艺简单、高收率、绿色、硫组分及孔隙结构可控的有机硫化物及其制备方法是其应用于高性能锂硫电池的巨大挑战。

技术内容

针对有机硫化物中硫组分不能得到控制，并且制备的材料导电性较差的问题，本技术提供了一种锂硫电池用聚硫化物新型正极材料，该材料可以固定硫，进而提高导电性，本技术同时提供了该种正极材料的制备方法，以氢氧化钠、硫粉和氯烷烃为原料，通过结构导向剂的种类以及界面反应调控得到不同形貌的聚硫化物，具有高能量、高功率、高稳定性的锂硫电池用聚硫化物电极材料以提高材料的循环性能和倍率性能。最后本技术还提供了该种正极材料的应用。

为了实现上述目的，本技术提供了以下技术方案：

一种锂硫电池用聚硫化物正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硫粉加入氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液的浓度为0.5～2.0mol/L，硫粉质量与氢氧化钠溶液体积的比值为1-5g：30-80ml，温度为90-120℃，搅拌溶解；

(2)向步骤(1)的溶液中加入去离子水和无水乙醇，搅拌均匀；

(3)向步骤(2)中加入氯烷烃，所述的氯烷烃体积用量与硫粉质量比值为 0.5-2.0ml：1-5g，反应温度为30-90℃，反应时间为3-10h；

(4)待反应完成后，离心、洗涤、干燥，得到锂硫电池聚硫化物正极材料。该聚硫化物正极材料硫前驱体与氯烷烃通过界面聚合的方法形成。

进一步地，所述的步骤(2)的去离子水和无水乙醇的体积用量与硫粉质量的比值为10-

20ml：3-10ml：1-5g。

进一步地，所述的步骤(2)中还加入结构导向剂，搅拌均匀。

进一步地，所述的步骤(2)的结构导向剂为表面活性剂、氧化石墨烯、碳纳米管、导电炭黑中的一种或两种以上；所述表面活性剂为F127、聚乙烯吡咯烷酮或十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种以上。

进一步地，所述的步骤(3)的氯烷烃为氯甲烷、氯乙烷、氯丙烷、氯丁烷中的一种或两种以上。