[发明专利]锂离子电池碳硫复合正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种新型锂离子电池碳硫复合正极材料与其制备工艺。

技术背景

电子电器小型化、高能化、便携化的趋势，空间技术的发展和国防装备的需求以及电动汽车的研制和开发，对锂离子电池的性能有更高的要求。而锂离子电池性能的改善主要取决于嵌锂电极材料能量密度和循环寿命的提高，其中单质硫具有最高的比容量。在Li/S电池中，假设正极的硫完全反应生成Li₂S，即发生电池反应( S + 2Li =Li₂S)，相应的正极理论比容量为1 675mAh/g，理论比能量为2600Wh /Kg，开路电压为2. 2V，硫和锂的反应具有可逆性。此外，单质硫还具有自然界储量丰富、低毒性、价格低廉等优点，因此单质硫是一种非常有吸引力的二次锂电池的正极活性物质。但是，正极为100%硫的Li/S电池在室温时不可能充放电，这是因为硫的离子导电性和电子导电性都很低，导致电极中硫的电化学性能不佳及利用率低等问题，一般将硫与碳或其他导电材料复合可以解决其导电差的问题。锂硫电池充放电过程产生的多硫化锂易溶于有机电解液，使电极的活性物质逐渐减少，且由于穿梭原理，溶解的多硫化锂会穿过隔膜达到电池的负极锂片上，生成的硫化锂等产物导电性差且不溶解，从而引起电池负极的腐蚀和电池内阻的增加，导致电池的循环性能变差，容量逐步衰减在循环过程中，锂硫电池中硫电极的体积形变高达22%，可能使硫电极内部产生微裂纹。这种微裂纹的存在及绝缘相Li₂S在裂纹处的生成破坏了电极的整体性，最终加剧锂硫池的容量衰减。此外，传统的由硫和碳简单复合形成的硫碳复合材料中硫的担载量一般不能太高，否则将影响其电子导电性能和硫的利用率。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型锂离子电池碳硫复合正极材料及其制备方法，以其有效延长硫正极材料的寿命、改善硫正极材料的循环性能和提高锂电池的硫单载量。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案:

一种锂离子电池碳硫复合正极材料，包括：

壳层，包括导电聚合物层；

以及核层，包括硫层，所述硫层中均匀分布有纳米导电材料，所述纳米导电材料包括一种以上点状纳米导电颗粒和一种以上线状和/或片状导电纳米材料。

进一步的，所述正极材料的粒径为10nm～50μm，而所述导电聚合物层的厚度为0.2nm～500nm。

优选的，所述点状纳米导电颗粒的粒径、所述线状纳米导电材料的线径或所述片状纳米导电材料的厚度均为0.5nm～5μm。

所述导电聚合物层的材料包括可以进行电子传导的聚合导电物，例如，可选用聚乙炔、聚对苯乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯硫醚和PDOT之中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述点状纳米导电颗粒可选用乙炔黑、科琴黑和金属纳米粒子中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述线状纳米导电材料可选用碳纳米管、碳纤维和金纳米线中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

所述片状纳米导电材料可选用石墨烯、石墨片、膨胀石墨和金纳米片中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

作为较为优选的实施方案之一，所述正极材料含有1wt%～10wt%导电聚合物，并且，所述正极材料所含纳米导电材料与硫的质量比为1:9～7:3。

一种制备如前所述锂离子电池碳硫复合正极材料的方法，包括如下步骤：

（1）将纳米导电材料与升华硫按设定比例均匀混合后，于温度为120～300℃的密闭环境中保温6h以上，而后继续在温度为300～500℃的密闭环境中保温6h以上，之后自然冷却，获得粉体;

（2）将步骤（1）所获粉体以100转/秒以下的速度球磨处理，而后以导电聚合物进行包覆，其后洗涤，并在温度为80～120℃的条件下烘干，获得目标产物。

进一步的，前述步骤（2）可包括：

（2X）

a. 将步骤（1）所获粉体经球磨处理后，再均匀分散于导电聚合物前驱体的溶液中，形成浆体；

b. 将步骤a所获浆体在温度为-10～90℃的条件下与用以使导电聚合物前驱体进行聚合的氧化剂或还原剂反应5h以上，而后分离出反应产物中的固形物，经洗涤后，在温度为80～120℃的条件下烘干，获得目标产物；

或者，（2Y）

ⅰ. 将步骤（1）所获粉体经球磨处理后与用以使导电聚合物前驱体进行聚合的催化剂均匀混合，并置入保护性气氛中；