[发明专利]电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及电池正极，尤其是涉及一种电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用。

背景技术

单质硫具有高的能量密度、丰富的自然资源、价格低廉和环境友好等多种优势，是十分理想的下一代锂离子电池正极材料，一直以来该领域都是研究热点。与常规的锂离子电池相比，理论容量为1672 mAh/g的硫作为正极活性物质，并使用理论容量为3860 mAh/g的锂金属作为负极活性物质的锂硫二次电池，具有非常高的能量密度，并且具有制造体积小、重量轻且需求日益增加的二次电池的潜力。以单质硫复合材料作为正极的锂-硫(Li-S)二次电池更是有望成为高能量密度储能和汽车动力的装置。

在锂硫电池中，锂与硫之间的氧化/还原反应可以表示成下列的反应流程：

2Li+S₈(固体)→Li₂S₈(溶液)

2Li+Li2S₈(溶液)→2Li₂S₄(溶液)

2Li+Li₂S₄(溶液)→2Li₂S₂(溶液)

2Li+Li₂S₂(溶液)→2Li₂S(固体沉淀)

从上述反应流程可以看出，在锂与硫之间的氧化还原反应中生成了新的反应产物，即多硫化锂。已知在上述反应中硫及其放电产物均是电子和离子绝缘体，电子和离子在正极的传输困难，导致室温电化学反应动力学速度很慢，电极内部反应不充分。还原过程产生的多硫化锂易溶于有机电解液溶剂中，导致活性物质的流失。随着充放电周数增加，正极和负极表面会逐渐生成电子绝缘的Li₂S沉积层，一方面阻碍电荷传输，另一方面改变了电极/电解质的界面，增大电池内阻，最终导致Li-S二次电池活性物质利用率低、容量衰减迅速，从而限制了其发展。如何固硫，提高电导率，增加循环稳定性，是锂硫电池研究开发的重要课题。

目前，锂硫电池研究中固硫方法主要有物理法和化学法两种。其中，物理固硫法主要使用各种多孔碳材料作为基体吸附硫元素，来部分地克服上述锂硫电池的缺点，并已取得显著进步。各种多孔碳材料的尺寸、形貌、孔隙度和纹理等特性对S-C复合材料的电化学性能有重要影响。通常认为这些S-C复合物中多孔结构的碳材料基体主要起到了两种作用：有效地吸附硫元素，并抑制多硫化物向有机电解液中的扩散；同时碳框架大大方便了电子传输，从而促进了电极上的氧化还原反应，硫元素的利用率和循环稳定性得以改善。

另外，化学固硫法主要是合成各种有机硫化合物，利用S-C化学键来固硫。有机硫化合物分子中主链为导电高分子骨架，可提高材料的导电性，减少导电剂的用量，进而有利于提高正极的比容量；储能的S-S键作为侧链连接在聚合物骨架上，放电时骨架不发生降解，在有机电解液中的溶解性远小于小分子多硫化物，能够保证正极外形稳定和大部分硫滞留在正极区，循环性能将有所增强。

然而，现有锂硫电池正极及相应的锂硫电池在活性物质利用率和电池循环特性方面尚不能满足商业应用的要求，限制了锂硫电池的大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的电池正极存在的上述问题，提供一种具有良好导电性和很好固硫能力，可提高活性物质硫的利用率，赋予锂硫电池优异的循环性能，且其制备工艺简单易操作的电池正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用。

所述电池正极设有金属集流体、正极活性物质和黏合剂，所述正极活性物质通过黏合剂涂布在金属集流体上，所述正极活性物质包括碳基/硫复合材料、导电剂；

所述碳基材料可选自膨胀石墨、石墨烯、碳纳米管、介孔碳、空心碳球、氧化石墨烯等中的至少一种，优选膨胀石墨。

所述硫材料可选自升华硫单质(S₈)，Li₂S_n(n≥1)、有机硫化合物、碳硫聚合物((C₂S_x)_n，其中x的范围为2.5～50，且n≥2)等中的至少一种，优选升华硫单质(S₈)。

所述碳基/硫复合材料中按质量百分比，碳基的含量可为20％～50％，硫的含量可为50％～80％。

所述金属集流体的金属可选自Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Pt、Au等中的一种元素的单质金属或至少2种元素的合金，优选金属铜或铜合金。