[发明专利]一种锂硫电池正极的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池领域，特别涉及一种锂硫电池正极制作方法。

背景技术

随着电子技术的发展，便携产品的功能日趋强大，对二次电源设备的要求也愈来愈高，目前以手机、电脑、电动工具等为代表的便携产品，多采用锂离子电池作为电源，但是锂离子电池的质量比能量密度和体积比能量密度分别为100～160Wh/Kg和80～150Wh/L，远远不能满足这些产品的用电要求，充电的频次高，导致使用寿命的锐减，因此具有高能量密度的二次化学电源成为近年研究的热点。锂硫电池由于其高能量密度（理论值2600Wh/Kg）、低成本而备受关注。

锂硫电池的正极材料采用多孔或比表面较大的碳材料（如介孔碳、碳纳米纤维、碳纳米管、膨胀石墨和石墨烯等）通过高温液相或气相充硫制备而得，由于硫正极材料的质量比容量较高1675mAh/g，产业化的各种石墨负极无法与之匹配，某些高比容量负极材料如硅等目前也处于研究阶段，因此锂硫电池多采用金属锂（理论容量3800mAh/g）作为负极。锂硫电池的制备基本沿用了锂离子电池的制备方法。正极活性物质制作成浆料状或膏状，涂敷或压制在集流体上，也有经磁空溅射方法制得的，集流体材质以铝和镍居多。制作好的正极片经真空干燥后，与负极锂箔采用单片叠加、多片叠加或单片叠加后卷绕等工艺制作成电芯，装进电池外壳（多为铝质、铝塑膜或高分子塑性材料）内，后经真空注入电解液或注液后真空静置，再密封注液口，电池即制作完成。

锂硫电池的充放电反应机理与锂离子电池存在很大的差异性，锂离子电池在充放电过程中，溶剂化的锂离子经电解液的传导在正极材料晶格和负极石墨材料的层间来回穿插。而锂硫的电池不同，其反应机理如下式所示：

负极反应：[1]

正极反应：

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

其中[2][3][4]步反应物及反应产物均为可溶物，[5][6]步为溶解的正极反应中间产物在碳矩阵上的再次沉积的过程。从反应机理来看，锂硫电池的反应中间产物需要溶解至电解液的液相中，随反应的进行再次进入固相，造成电解液的浓度及黏度的上升和浓度差的出现，流体力学中提到高浓度的液体在微孔中的流动非常缓慢，因此离子的传质受到影响和反应点活性也会降低，这种特殊的反应过程要求锂硫电池的正极结构应该能够为中间产物的溶解及锂离子的快速扩散传质提供足够的通道。使用上述电极制备工艺制备锂硫电池正极存在一定的不足之处，锂硫电池的正极材料由于采用高比表面碳基材料，且粒径较小，颗粒间堆实后的孔道较小，而由于材料的特性粘结剂的比重增加会导致电极的堆实密度进一步提高，因此用于中间产物溶解和离子传输的通道容积不足，电池充放电过程中极化增大，影响容量的发挥、大电流放电性能及循环性能。

针对该问题，研究人员做了大量的工作，其中CN100346523C中采用的方法是在活性物质混合过程中加入一种增塑剂，待极片干燥后使用特定的有机溶剂将其溶解，在电极中形成孔道。该种方法虽然从一定程度上增加电极内部微型孔道容积，但是制作过程繁琐，且过程中需引入多种高挥发性、对环境及操作人员有害的有机溶剂，有其自身的弊端。

发明内容

针对上述问题，结合锂硫电池自身反应机理，本发明提出了一种制备锂硫电池正极结构包括活性物质合成优化的方法，目的是解决现有技术制作的正极结构的不足，使之能够为中间产物的溶解及离子、电子的传输提供充足空间，为氧化还原反应提供更宽广的活性表面，从而降低反应过程的极化，提高能量和循环性能。

本发明提供的完整技术方案如下：

一种锂硫电池正极的制作方法，

1）将粒径为10nm～100μm的单质硫与孔径为1nm～1μm、比表面积500～2000m²/g的碳材料共混，经研磨或球磨1～8h，得到硫碳混合物；其中单质硫在硫碳混合物中的比例为20～90wt％，球料比为5:1～20:1，转速200～500r/min；

2）将硫碳混合物与粘结剂共混后加入分散剂，搅拌或球磨1～10h，制作成浆料或膏状物；

或者将硫碳混合物中先加入分散剂，搅拌或球磨1～5h后再加入粘结剂，继续搅拌或球磨至少1h以上，制作成浆料或膏状物；

其中粘结剂占硫碳混合物与粘结剂两者总质量的2～40％、分散剂占浆料或膏状物总质量50～95％；

3）将步骤2）中制备的浆料或膏状物涂覆、压制、喷涂或溅射到集流体上，在30～110℃下干燥将分散剂及水分烘出制得极片；