[发明专利]一种添加吸附剂的锂硫电池正极极片及锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，特别涉及一种添加吸附剂的锂硫电池正极极片及锂硫电池。

技术背景

正极材料一直是制约锂电池发展的瓶颈，目前商业化的锂电池活性材料主要是LiCoO₂，LiMnO₄等。相对负极而言，商业化的正极材料比容量太低，LiCoO₂的比容量为130～140mAh/g，LiMnO₄的比容量为110～130mAh/g，而且它们的价格昂贵。因此开发具有高能量密度、低成本和长循环寿命的新型绿色储能正极材料就显得尤为关键和迫切。

单质硫作为正极材料具有高比容量、价格低廉、低毒性等优点。单质硫的理论比容量是1675mAh/g，理论比能量是2600Wh/Kg，是目前所了解的正极材料中比容量最高的，远远大于现阶段已经商业化的二次电池。不仅如此，锂硫电池的工作电压在2.1V左右能满足目前多种场合的应用需求，而且单质硫的价格便宜、来源丰富，因此围绕锂硫电池及其关键材料的研发备受关注。虽然锂硫电池使用单质硫作为正极材料具有比容量高、成本低等很多优点，但也存在着导电性能差、容量衰减快和循环寿命短等问题，此外，还存在因多硫化锂在电解液中溶解引起的“飞梭现象”。

研究表明，锂硫电池容量衰减的主要原因是电极结构形貌的破坏。在放电的过程中，单质硫首先被还原生成可溶性多硫化物，放电过程的中间产物多硫化物容易在电解液中溶解，导致电池充放电的库伦效率降低，而且它会随着电解液扩散到负极表面并与锂发生腐蚀反应，导致不可逆的容量损失。随着放电过程的进行，可溶性多硫化物最终被还原成Li₂S和Li₂S₂。正极材料中放电最终产物Li₂S和Li₂S₂的导电性极差，它会以固态膜的形式覆盖到正极活性材料的表面，从而阻碍电解质与电极活性材料间的电化学反应。因此，如何解决充放电过程中间产物的溶解问题，提高电池的循环性能，是硫基正极材料所要研究的重点之一。

为了提高锂硫电池的循环性能，本发明在现有的正极材料中添入吸附剂，用以吸附锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化物并抑制“飞梭现象”的产生，以提高锂硫电池的性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种添加吸附剂的锂硫电池正极极片和含本发明所述正极极片的锂硫电池。

传统的锂硫电池正极极片主要由正极活性材料、粘结剂和导电剂组成。为了改善锂硫电池中间产物多硫化物易在电解液中溶解并随电解液扩散到负极导致电池容量衰减、循环性能降低等问题，本发明在锂硫电池正极极片中添加了吸附剂，吸附剂添加量为正极极片质量的5％以上。

本发明的正极极片的质量百分组成为：正极活性材料50％～75％，导电剂10％～20％，粘结剂10％～20％，吸附剂为5％～15％。

本发明所述的吸附剂均匀分散在正极极片材料之中。

本发明的正极极片中，吸附剂主要选用具有高比表面积、多孔结构并具有良好吸附性能的材料，如活性炭、碳微球、介孔碳、碳分子筛、碳化物衍生碳(孔径分布0.5～5nm)以及吸附树脂等。吸附材料对吸附质分子的吸附，主要取决于表面的物理和化学结构。吸附材料对吸附质的吸附也分为物理吸附和化学吸附两种。物理吸附是由于范德华力引起的，化学吸附则是吸附剂表面和吸附质之间的化学结合力作用引起的，大多数吸附过程均为物理吸附。

具有多孔结构和高表面积的吸附材料由于范德华力会在材料表面形成强大的吸附场，当吸附质被吸附到吸附材料的孔径结构中之后，孔径的毛细吸附作用力会增强材料对吸附质的吸附。

锂硫电池所用的正极活性材料通常为碳硫复合材料或金属硫化物材料，碳硫复合材料中碳为碳纳米管、介孔碳、活性炭和碳化物衍生碳等，金属硫化物材料为MoS₂、FeS₂、V₂S₂或NiS。正极活性材料在电池充放电的过程中，会产生过渡产物多硫化物。多硫化物在电解液中易溶解，并且随着电解液迁移至负极，与负极发生反应并腐蚀负极，导致电池的性能降低。所以，在锂硫电池种添加吸附材料不仅能有效吸附溶解在电解液中的多硫化物，阻止其在锂硫电池中的迁移，而且能防止放电最终产物Li₂S₂和Li₂S覆盖在正极活性材料表面，从而提高锂硫电池的性能和循环寿命。