[发明专利]一种具有吸附层的锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，特别涉及一种具有吸附层的

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能量太低，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。锂硫电池使用单质硫作为正极材料虽然具有比容量高、成本低等很多优点，但却存在着导电性能差、容量衰减快和循环寿命短等问题，而且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。而且，随着放电过程的进行，可溶性多硫化物会最终被还原成Li₂S和Li₂S₂。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，阻碍电解质与电极活性材料间的电化学反应。

为了提高锂硫电池的循环性能，本发明在现有的电池结构中添加一吸附层，用以吸附锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化物，阻止多硫化物随电解液迁移到负极，抑制“飞梭现象”的产生，从而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层的锂硫电池正极极片的制备和含本发明所述正极极片的锂硫电池。

传统的锂硫电池结构主要包括正极、负极和多孔隔膜。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，本发明在锂硫电池结构中添加了吸附层。

本发明所述的吸附层位于正极极片与多孔隔膜之间，吸附层材料选用具有良好吸附性能的高比表面积、多孔材料，如活性炭、碳微球、介孔碳、碳化物衍生碳(孔径分布0.5～5nm)、碳分子筛、坡缕石-海泡石族矿物纤维、硅藻土或以及吸附树脂等。其中，坡缕石-海泡石族矿物纤维主要为坡缕石和海泡石。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。

锂硫电池正极的正极极片主要由正极活性材料、粘结剂和导电剂组成，按质量百分比计，正极活性材料70％～85％，导电剂10％～25％，粘结剂5％～10％；所述的正极活性材料为碳硫复合材料或金属硫化物为活性材料，所述的碳硫复合材料中碳为碳纳米管、介孔碳、活性炭，所述的金属硫化物为MoS₂、FeS₂、V₂S₂或NiS；所述的导电剂用乙炔黑或超导炭黑；所述的粘结剂为15wt％的聚偏氟乙烯溶液，其溶液中溶剂为N-甲基吡咯烷酮。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，并且随着电解液扩散至负极，与负极发生反应并腐蚀负极，导致电池的性能降低。所以，在锂硫电池中添加吸附层能有效吸附溶解在电解液中的多硫化物，防止其随电解液扩散至负极，抑制“飞梭现象”的产生，提高锂硫电池的性能和循环寿命。

本发明在制备锂硫电池时，在电池结构中添加吸附层并组装成CR2025型纽扣电池，具体制备过程如下：