锂硫电池正极材料的合成
一种锂硫电池正极材料及其制备方法,冯明
一种锂硫电池正极材料及其制备方法,冯明嘿，朋友们！今天咱来聊聊一种超厉害的锂硫电池正极材料，还有它的制备方法哦，这可都是冯明的研究成果呢！你想想看，咱现在的生活里，到处都离不开电池呀！手机、电脑、电动汽车等等，要是没有高性能的电池，那可不得抓瞎呀！而锂硫电池呢，就像是电池界的一颗闪亮新星。
这种锂硫电池正极材料呀，就好比是一个能量小仓库。
它能把好多好多的能量储存起来，等我们需要的时候，再源源不断地释放出来。
那它到底是怎么做到的呢？这就不得不提到冯明的智慧啦！冯明研究出来的制备方法，就像是一位神奇的大厨，能把各种普通的材料变成美味佳肴一样的正极材料。
他就像是在玩一场特别的化学游戏，把不同的元素和物质巧妙地组合在一起。
比如说，他可能会先找来一些特殊的化合物，就像挑选最好的食材一样。
然后通过一系列精细的操作，好比是精心烹饪的过程，让这些材料发生奇妙的变化。
可能会有加热呀、搅拌呀、沉淀呀等等步骤，就像给食物加上各种调料，让它变得更加美味可口。
想象一下，这个制备过程就像是在打造一件艺术品。
每一个步骤都要恰到好处，不能有丝毫的马虎。
不然呀，可就做不出这么厉害的正极材料咯！而且呀，这种正极材料还有好多优点呢！它的能量密度特别高，这意味着它能储存更多的能量，让我们的设备能使用更长时间。
这多棒呀！就好像你的手机可以不用频繁充电，能一直陪着你玩耍。
它的成本相对来说也比较低哦，这可真是个好消息！这样一来，以后使用锂硫电池的产品可能就会更加普及，咱老百姓都能用得起啦！哎呀，真的是很难想象，如果没有冯明的这个研究成果，我们的科技发展会不会受到影响呢？说不定很多好玩的电子产品都没办法出现呢！总之呀，这种锂硫电池正极材料和它的制备方法真的是太重要啦！它就像是为我们的科技未来打开了一扇新的大门，让我们可以走得更远，看到更多的精彩。
冯明真的是太厉害啦，为他点赞！这就是我要给你们分享的关于锂硫电池正极材料及其制备方法的事儿，希望你们也能感受到这份神奇和重要哦！。
硫正极干法制备
硫正极干法制备概述：硫正极干法制备是一种常见的制备硫正极材料的方法。
它通过一系列的化学反应和物理处理，将硫转化为适用于锂硫电池的正极材料。
本文将介绍硫正极干法制备的原理、步骤和相关技术。
一、原理硫正极干法制备的原理主要基于硫的化学性质和物理性质。
硫在室温下呈黄色固体，具有较高的电导率和良好的可溶性。
在制备过程中，通过将硫转化为溶解性的硫化物或聚合物，然后进一步处理，使其成为适用于锂硫电池的正极材料。
二、步骤硫正极干法制备的步骤主要包括硫溶解、硫化物形成和干燥处理。
1. 硫溶解：将硫粉末加入适量的溶剂中，通常选择具有良好溶解性的有机溶剂，如二甲基亚砜（DMSO）。
在搅拌的条件下，硫逐渐溶解到溶剂中，形成硫溶液。
2. 硫化物形成：在硫溶液中加入适量的硫化剂，常用的硫化剂包括聚苯硫醚（P2S5）、三硫化二磷（P4S3）等。
硫化剂与硫溶液中的硫发生反应，生成硫化物。
硫化物是锂硫电池中正极材料的主要成分之一。
3. 干燥处理：将得到的硫化物进行干燥处理，以去除溶剂和水分。
常用的干燥方法包括真空干燥、热风干燥等。
干燥处理后得到的硫化物即为硫正极材料。
三、相关技术为了提高硫正极材料的性能，同时也为了解决硫正极材料在锂硫电池中的一些问题，如容量衰减、电解液损耗等，研究人员进行了很多相关技术的探索和改进。
1. 包覆技术：通过包覆硫正极材料，可以提高其稳定性和循环寿命。
常用的包覆材料包括石墨烯、二氧化硅等。
2. 复合材料技术：将硫正极材料与其他材料进行复合，可以提高其导电性和循环稳定性。
常用的复合材料包括碳纳米管、多孔碳等。
3. 界面调控技术：通过表面修饰或界面调控，可以改善硫正极材料与电解液的相容性，减少电解液损耗和极化现象。
四、应用前景硫正极干法制备技术在锂硫电池领域具有重要的应用前景。
锂硫电池作为一种高能量密度的储能系统，具有广阔的市场前景。
硫正极材料的制备技术的改进，将有助于提高锂硫电池的能量密度、循环寿命和安全性，推动锂硫电池的商业化应用。
锂硫纳米正极材料合成
第15卷 第3期2009年8月电化学E LECTROCHE M I STRYVol.15 No.3Aug.2009文章编号:100623471(2009)0320284204锂硫二次电池硫2碳纳米管正极的合成和性能杜 锐,袁中直3(华南师范大学化学与环境学院,广东广州510006)摘要: 由单质硫与碳纳米管合成一种新型含碳复合材料.XRD、SE M、BET比表面和孔径分布表征观察硫2碳纳米管复合材料,循环伏安法和电池充放电测试材料的电化学性能.结果表明:以硫2碳纳米管作正极组装的2016型扣式电池有较好的电化学性能,其初始放电比容量达680mAh/g(室温),30次循环放电比容量仍稳定在500mAh/g.关键词: 锂硫二次电池;单质硫;碳纳米管;复合材料中图分类号: T M911文献标识码: A 单质硫正极理论比容量1672mAh/g、理论比能量2600W h/kg,在锂离子电池中以其为最高.硫廉价易得,环境友好[123],但单质硫是非金属,导电性低、可逆性差、容量保持率较低.放电产物锂硫化合物易溶于电解质溶液,降低溶液的电导率和活性物质利用率,使电池循环性能下降[425].为了提高单质硫材料的可逆性,本文制备单质硫2碳纳米管正极可望改善锂硫二次电池的循环特性[627].1 实 验1.1 正极活性材料将碳纳米管(北京纳辰)和单质硫(化学纯,天津大茂)按1∶5(by mass)在玛瑙研钵中研磨均匀,放入管式炉的陶瓷管中,通氮气(60m in),再加热至200℃,停留5h,再升温至300℃,保持2h,得黑色产物.1.2 物相及形貌表征使用X射线衍射仪(R igaku公司,日本)对样品作物相分析,辐射源CuKa靶电压40k V,使用管电流20mA,步宽0.02°,扫描速率2°/m in,扫描范围2θ为10°～70°.FE I2XL30扫描电子显微镜(Phili p公司,荷兰)观察样品表面形貌,加速电压10kV,室温.AS AP2010全自动快速比表面积及孔径分布测试仪(美国M icr omeritics公司)测试样品比表面,样品150℃脱气10h去除水分和物理吸附物,N2吸/脱附相对压力范围分别为10-3～0.995和0.995～0.01.1.3 电池组装与测试将活性物质、乙炔黑和PTFE按7∶2∶1(by mass)配比加入乙醇溶剂搅拌混匀涂覆于铝箔(面积1c m2)上.90℃真空干燥(24h),负极为金属锂片,隔膜Celgard2400微孔聚丙烯膜,电解质为1 mol/L L iPF6/EC+DMC+E MC(1∶1∶1,by vol2 ume),在充满氩气的手套箱装成2016型扣式电池.CH I电化学工作站(CH I660A,上海辰华)测试电池循环伏安曲线,扫速0.1mV/ND电池测试系统(CT2001A,武汉金诺电子有限公司)测试电池性能,充放电电流0.1mA/c m2,电压范围1.5～2.8V.2 结果和讨论2.1 结构表征图1是单质硫(a)、碳纳米管(b)、硫2碳纳米管复合材料(c)的XRD谱.从图看出:单质硫在复合材料中以无定形态存在,其26°衍射峰较碳纳米管衍射峰小.表明单质硫和碳纳米管间存在相互作用,由于加热过程熔融硫和蒸气硫在高比表面碳纳米管上强吸附而高度分散.收稿日期:2008211205,修订日期:2008212210 3通讯作者,Tel:(86220)39310052,E2mail:che mweb@第3期杜 锐等:锂硫二次电池硫2碳纳米管正极的合成和性能・285 ・图1 单质硫(a ),碳纳米管(b ),硫2碳纳米管复合材料(c )的XRD 衍射图Fig .1 XRD patterns f or ele mental sulfur (a ),carbon nano 2tube (b ),sulfur 2carbon nanotube composite (c )图2示出不同硫含量的硫2碳纳米管复合材料BET 测试结果.碳纳米管的比表面为330m 2/g ,热处理后,含硫约70%(by mass )的硫2碳纳米管复合材料的比表面降为75m 2/g ,表明升华硫已填充于碳纳米管中.图2 硫2碳纳米管复合材料不同硫含量的比表面积Fig .2 The s pecific surface of sulfur 2carbon nanotube compos 2ite at different sulfur contents图3为硫2碳纳米管复合材料的孔径分布曲线.材料孔径主要集中分布在20～30n m 之间,大比表面和小孔径复合材料与硫充分接触,电解液可进入碳纳米管的中空管状结构中,也利于锂离子的传输.图3 硫2碳纳米管复合材料的孔径分布Fig .3 The pore size distributi on of sulfur 2carbon nanotubecomposite图4是硫2碳纳米管复合材料的SE M 照片.如图可见,该复合材料颗粒大小比较均匀,无明显的团聚(a,350倍),单质硫在碳纳米管中均匀分散,在表面并且进入碳纳米管的内部,碳纳米管也分散于单质硫颗粒中,在单质硫内部及表面形成导电网络从而改善单质硫的导电性(b,10000倍).2.2 充放电特性图5和图6分别为单质硫,硫2碳纳米管复合材料5次和10次的循环伏安图,扫描速率0.5mV /s .从图看出硫2碳纳米管复合材料电极具有较尖锐的电流峰,而硫电极的电流峰较宽.这说明硫2碳 图4 硫2碳纳米管复合材料不同倍数的SE M 照片a .350×,b .10000× Fig .4 The SE M phot ographs of sulfur 2carbon nanotube composite with different magnificati ons a .350,b .10000・286 ・电 化 学2009年纳米管复合材料电极极化较小,电化学活性较高.图5 单质硫正极的循环伏安曲线Fig .5 CV curves of 2016cell with the ele ment sulfur cath 2odes containing 70%sulfur at scan rateof 0.5mV /s图6 硫2碳纳米管复合材料的循环伏安曲线Fig .6 CV curves of 2016cell with the sulfur 2carbon nanotubecomposite cathod containing 70%sulfur at scan rate of0.5mV /s图7是以硫2碳纳米管作正极的2016型扣式电池在0.1mA /c m 2下首次充放电特性曲线.从图看出,电池初次放电比容量高达680mAh /g .图7示出该电池的循环性能变化.经过30次循环后,电池比容量仍保持500mAh /g,为首次放电容量之73.5%.2.3 放电机理锂硫电池放电过程,首先金属锂被氧化失去电子,并与硫形成L i 2S .电极反应如下:L iL i ++e -(负极)S 8+16L i ++16e -8L i 2S (正极)副反应:2L i +S 8L i 2S 82L i +L i 2S 82L i 2S 42L i +L i 2S 42L i 2S 2放电过程还可能形成锂多硫化物(L i 2S 8、L i 2S 4、L i 2S 2),部分锂多硫化物还可溶于电解液,不能再完全氧化为单质硫.图7 含硫70%的硫2碳纳米管正极2016型扣式电池首次充放电曲线Fig .7 I nitial charge and discharge p r ofiles of 2016cell withthe sulfur 2carbon nanotube composite cathodes contai 2ning 70%sulfur图8 含硫70%的硫2碳纳米管正极2016型扣式电池的循环性能Fig .8 Cycling perf or mance of 2016cellwith the sulfur 2carbonnanotube composite cathodes containing 70%sulfur4 结 论以硫2碳纳米管作正极组装的2016型扣式电池0.1mA /c m 2放电,比容量达680mAh /g,30次循环后,比容量仍保持为500mAh /g.存在于碳纳米管中的升华硫颗粒较小,反应产物的溶解可以得到抑制,减弱体积膨胀;碳纳米管的电子导电性和吸附性使放电过程中活性物质的导电性不易降低,正极呈现出较好的电化学性能.第3期杜 锐等:锂硫二次电池硫2碳纳米管正极的合成和性能・287 ・参考文献(References):[1] Ho2Suk Ryu,Hyo2Jun Ahn,Ki2Won Ki m,et al.D is2charge behavi or of lithiu m/sulfur cell with TEG DMEbased electr olyte at l ow te mperature[J].J PowerS ources,2006,163:2012206.[2] Ho2Suk Ryu,Hyo2Jun Ahn,Ki2Won Ki m,et al.D is2charge p r ocess of L i/P VdF/S cells at r oom temperature[J].J Power S ources,2006,153:3602364.[3] Bo J in,Jong2Uk Ki m,Hal2Bon Gu.Electr ochem icalp r operties of lithiu m2sulfur batteries[J].J PowerS ources,2003,117:1482152.[4] Xiujian Zhu,Zhaoyin W en,Zhonghua Gu,et al.Elec2tr ochem ical characterizati on and perf or mance i m p r ove2ment of lithiu m/sulfur poly mer batteries[J].J PowerSources,2005,139:2692273.[5] M ar morstein D,Yu T H,Striebel K A,et al.Electr o2che m ical perf or mance of lithiu m/sulfur cells with threedifferent poly mer electr olytes[J].J Power Sources,2000,89:2192226.[6] W ang J iuling,Yang Jun,W an Chunr ong,et al.Sulfurcomposite cathode materials f or rechargeable lithiu mbatteries[J].Adv FunctMater,2003,13:4872492. [7] He Xiang m ing,Pu W eihua,W ang J iuling,el al.Sulfu2rizati on of poly mers with elemental sulfur as cathode ma2terials f or rechargeable lithiu m batteries[J].J Func2ti onal Poly mers,2005,18(3):5172521.Synthesis and Characteri zati on of Sulfur2Carbonnanotubes as Cathode of L ithi u m/Sulfur Rechargeable BatteryDU Rui,Y UAN Zhong2zhi3(College of Che m istry and Environm en t,S outh China N or m al U niversity,Guangzhou Guangdong510006,China)Abstract:A carbon2containing co mposite was synthesized by heating ele ment sulfur and carbon nanotubes.The sulfur2carbonnanotube composites were characterized by X2ray diffracti on,SE M,B runauer2E mmett2Teller.The electr oche m ical p r operty was characterized by cyclic volta mmetry,constant current charge and discharge.It was revealed that the sulfur2carbonnanotube cathode20162type coin cells exhibited a good electr oche m ical p r operty with the initial dicharge s pecific capacity up t o680mAh/g and a stable capacity app r oxi m ately500mAh/g after 30cycle nu mbers.Key words:lithium/sulfur rechargeable battery;ele ment sulfur;carbon nanotubes;composite material。
一种锂硫电池正极材料的制备方法和应用[发明专利]
![一种锂硫电池正极材料的制备方法和应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/67bdd4119e314332386893b1.png)
专利名称：一种锂硫电池正极材料的制备方法和应用专利类型：发明专利
发明人：冯晓苗,张雯婧,葛优,袁彰雨,张衍正,马延文申请号：CN201910474871.X
申请日：20190603
公开号：CN110165185A
公开日：
20190823
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种锂硫电池正极材料的制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：采用一步水热法，制备得金属氧化物二氧化锰；将二氧化锰与硫粉按比例混合，研磨均匀，置于管式炉中，于惰性氛围、高温下，使硫充分被二氧化锰束缚，即可得到二氧化锰/硫复合材料；在室温条件下，通过搅拌，EDOT自聚合成PEDOT包裹到二氧化锰/硫的复合物外，即可得到二氧化锰/硫‑聚噻吩复合材料，并将二氧化锰/硫复合材料或二氧化锰/硫‑聚噻吩复合材料应用于锂硫电池正极材料。
本发明的锂硫电池正极材料具有较高容量、倍率性能好和循环性能好等优点，其制备方法简便，有利于工业化生产与应用。
申请人：南京邮电大学
地址：210000 江苏省南京市鼓楼区新模范马路66号
国籍：CN
代理机构：南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：陈国强
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锂硫电池正极制备
锂硫电池正极制备
锂硫电池正极制备是指制备锂硫电池中的正极材料，以实现锂硫电池在能量密度和循环寿命方面的优化。
目前，制备锂硫电池正极材料的方法主要有两种：化学合成法和物理制备法。
化学合成法利用化学反应合成锂硫电池正极材料。
常见的化学合成法有固相反应、水热法和溶胶-凝胶法等。
其中，水热法和溶胶-凝胶法具有制备出高性能锂硫电池正极材料的优势。
物理制备法则利用物理方法制备锂硫电池正极材料。
典型的物理制备法有电化学沉积法、热解法和溅射法等。
这些制备方法具有精密控制和高度可重复性的优势。
无论是哪种制备方法，锂硫电池正极材料都需要具备优异的电化学性能、导电性能和结构稳定性以应对锂硫电池的应用需求。
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我们相信随着研究的深入，锂硫电池在新能源领域将扮演着越来越
重要的角色。
常见的新型可再生能源
价格（$/kWh-1）： 已商业化 正在发展中 研发中
能量密度
二氧化碳排放量与年份的关系
常见储能系统的能量密度与价格对比图 Nature materials 11.1 (2012): 19.
பைடு நூலகம்
锂硫电池简介
正极活性物质为单质硫，负极活性物质为金属锂；
锂离子与单质硫经过多步反应形成硫化锂或二硫
子的交换，因此这就造成了反应动力学十分缓慢。进一步的，有人提出
在多孔导电碳上修饰可促进多硫化物分解的材料，这样多硫化物吸附在 上面之后可以直接原位进行电化学转化，促进了反应动力学的进行，进 一步提高了电池的性能。
Nature Materials volume 9, Article number: 4082 (2018)
锂硫电池正极材料合成概述
报告人：
时间：
1
背景
目 录
CONTENTS
2 研究结果和讨论
3 总结
背景
传统化石燃料的缺点
燃烧时会产生各种有害气体，造成严重的大气
污染； 化石燃料在地球上的储量十分有限。
新型可再生能源面临的阻碍
能量储存系统的能量密度、功率密度、循环寿 命等性能还需进一步的提升。
化锂。 优点： 能量密度高； 材料来源丰富，成本低廉。 缺点： 反应的中间产物易溶于电解液，会穿梭至负极， 造成正极活性物质逐步减少（穿梭效应）； 硫的导电性较差，导致锂硫电池快速充放电能
力较差；
硫在充放电过程中体积膨胀率较大。
不可溶
可溶于电解液
不可溶
锂硫电池结构与反应机理示意图
蛋黄-蛋壳结构的S/聚苯胺纳米球
Journal of the American Chemical Society，2013，135(44): 16736-16743.
方法二：利用金属氧化物化学吸附多硫化物
碳材料对多硫化物的吸附作用属于较弱的物理吸附作用；与 此相对的，金属氧化物中氧离子和金属离子分别是明显的负电中 心与正电中心，二者之间有很强的极化作用。这可以导致金属氧 化物和多硫化物之间产生很强的化学吸附作用，因而可以有效抑 制多硫化物在电解液中的穿梭，从而提升锂硫电池的容量和循环 性能。
关键问题：如何设计合成性能优良的硫正极材料
研究结果与讨论
方法一：利用多孔碳或者导电聚合物物理吸附多硫化物
近年来，各国的研究者为了解决上面提到的问题，做出了很
多努力，提出并设计了许多的方法，其中应用最广泛的方法就是
将 硫包裹进多孔碳材料的空洞或者导电聚合物的框架中，这在一 定程度上通过结构限制与物理吸附作用抑制多硫化物的穿梭效应，
缓冲体积膨胀，同时可以提高电极材料的导电能力。
硅纳米球
被多孔碳（沥青碳化）包裹的 硅纳米球
多孔碳空心纳米球
多孔碳空心纳米球/单质硫
Angewandte Chemie International Edition 50.26 (2011): 5904-5908.
单质硫纳米球 壳核结构的S/聚苯胺纳米球
Joule 3, 1–13, February 20, 2018
总结
可以看出，锂硫电池正极材料的发展过程中，如何促进多硫化中 间产物的转化是人们普遍关注的问题。研究过程中，经历了一个从 多孔碳的物理吸附到过渡金属化合物的化学吸附，再到关注提高多 硫化物的转换动力学的过程。在这个发展过程中各式各样的材料大 放异彩，与此同时对应的材料合成方法与技术提供了重要的支撑。
单质硫纳米颗粒
蛋黄-蛋壳结构的S/TiO2纳米颗粒
壳核结构的S/TiO2纳米颗粒
Nature communications 4 (2013): 1331.
方法三：利用导电性较好的材料原位加速多硫化物的分解
由于金属氧化物本身导电性比较差，吸附在上面的多硫化物要想进 行下一步的电化学转化，必须扩散到周围的导电碳上与电极材料发生电