[发明专利]一种电池添加剂、含有该添加剂的正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于锂硫电池的新型碳硫正极材料及其制备方法，尤其涉及碳硫正极材料的添加剂，具体地说是涉及含有强孤对电子基团的葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等单糖及其聚合的多糖与碳材料复合后生成的添加剂A及相应的C/S/A正极材料的制备方法，以及基于该C/S/A正极材料的锂硫电池制备、组装与测试技术。

背景技术

当前，以Li₂CoO₂、LiFePO₄等为正极材料的锂离子二次电池已得到了十分广泛的应用。但是，受限于这些正极材料理论比能量，现有锂离子电池体系难以满足未来便携式电子器件和移动交通等领域对电源轻量化、小型化、低成本和无毒性的需求。高能量密度的锂二次电池的研发已引起了越来越多的关注，其中尤以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫二次电池体系为著，关于该体系的研发已成为近十年来的研究热点。

单硫正极材料按电化学反应S₈+16Li→8Li₂S计其比容量高达1675mAh·g^-1，是已知固体正极材料中能量密度最高的，且硫单质储量丰富、价格低廉、安全低毒，因而具有十分广阔的应用前景。但是，硫单质是典型的电子绝缘体(5×10^-30S·cm^-1，25℃)，电化学活性差；放电最终产物Li₂S与放电初始状态相比体积膨胀达87%，导致硫正极在充放电循环中结构松散乃至被破坏；硫电极在一定充电程度形成的锂多硫化物Li₂S_n(n=6～8)易溶于电解液，并扩散至锂电极与其发生自放电反应生成锂多硫化物Li₂S_n(n=3～4)，导致锂腐蚀。同时Li₂S_n(n=3～4)又扩散回硫电极被氧化成Li₂S_n(n=6～8)后再扩散至锂电极表面，即发生“穿梭效应”。多硫化物的溶解导致的穿梭效应是锂硫电池最关键的难题之一，显著降低了硫的利用率、比容量和循环性能，同时增加了电解液的粘度和离子的迁移阻力。随着放电过程的进行，导电性差的放电最终产物Li₂S和Li₂S₂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。

为了解决上述问题，人们提出了许多解决方法。主要是从改善碳材料、粘结剂、聚合物包覆、锂负极改性、正极材料添加剂等方面着手。

针对正极材料，中国专利CN102208645A公开了一种无定形碳包覆硫，中国专利CN101986443A公开了一种纳米空心碳管包覆硫，中国专利CN102709533A公开了一种石墨烯包覆硫，中国专利CN102315424A公开了一种硫/导电聚合物纳米管复合正极材料，所述的硫分散吸附于所述导电聚合物纳米管的管表面和管内，形成中空的纤维状结构。中国专利CN102074704A公开了一种二次锂硫电池正极粘合剂的制备方法。针对负极材料，中国专利CN1508893公开了一种锂硫电池的负极，所述负极包括金属锂、一层预处理层、以及一层保护金属锂的保护层。中国专利CN1503385公开了一种无机氧化物添加剂，中国专利CN1482693A公开了一种含氨基氮的聚合物添加剂。

上述针对正极材料的专利主要是采用碳材料包覆、聚合物包覆或者纳米材料添加剂包覆硫等来提高锂硫电池循环性能。

发明内容

本发明提供了一种新型添加剂，利用引入的少量添加剂上的特定功能基团来吸附多硫化物，以有效地抑制多硫化物在充放电过程中的溶解，降低穿梭效应带来的不利影响，提高锂硫电池循环性能。

实现上述目的的技术方案为：

一种应用于锂硫电池中的添加剂，所述的添加剂为碳材料与单糖或由单糖聚合的多糖碳化复合后的产物，所述的单糖及多糖中含有强弧对电子基团。所述的强弧对电子基团为-C=O或-OH。所述的单糖选自葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、糖原以及脱氧核糖中的一种以上。

所述的碳材料选自活性碳、石墨烯、膨胀石墨、碳纳米管、介孔碳、碳纤维、中空碳球以及碳化物的衍生碳中的一种以上。

作为优选，将单糖或多糖与碳材料碳化复合的方法为水热碳化法。