[发明专利]锂硫电池复合正极材料及其制备方法

说明书

锂硫电池复合正极材料及其制备方法。本发明公开了核壳结构聚合物层包覆硫碳的复合材料及其制备方法，复合材料为在硫碳复合物的核外，包裹有导电聚合物膜层的壳；制备方法是首先通过熔融盐法制备硫碳(SC)复合物，再通过低温球磨粉碎来达到理想粒径(6微米～10微米)；其次是采用工艺优化后的传统法制备出二氧化硅包覆硫碳(SiO₂@SC)复合物；然后通过低温化学气相沉积，完成导电聚合物包覆SiO2@SC复合物的制备；最后通过刻蚀及活化法制备出具有核壳结构聚合物包覆硫碳的复合材料。本发明的复合材料放电比容量大，库伦效率高和循环性能好，且具有较高的体积能量密度和质量能量密度，在移动通讯、便携式电子设备、储能设备、无人机、无人船及电动汽车等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高能量密度、高比容量、高库伦效率和长循环寿命的具有核壳结构导电聚合物包覆硫碳的锂硫电池复合正极材料。本发明还涉及所述正极材料的制备方法。

背景技术

随着移动通讯、便携式电子设备、电动汽车和储能设备等相关产业的迅速发展，对电池的性能，特别是比容量、能量密度、循环寿命和倍率性能等，提出了越来越高的要求。因此，开发具有高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。正极材料的性能和价格等是制约锂离子电池进一步向高能量密度、长寿命和低成本发展的瓶颈。例如现有的LiFePO₄，LiMn₂O₄及三元材料等正极材料，由于受其较低理论容量的限制，其比容量、能量密度的提升空间非常有限。因此，高能量密度、长循环寿命和低成本的新型锂离子电池正极材料的研究与开发是锂离子电池技术发展的必然趋势。单质硫具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和较高的理论比能量(2600Wh/kg)、储量丰富、价格低廉、环境友好等优点，有望成为高比能量锂离子电池优良的正极材料。然而，单质硫本身的导电性差(在常温25摄氏度下，导电率仅为5×10^-30S/cm)，且在充放电过程中与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，导致了以单质硫为正极构筑的锂硫电池循环性能差、比容量低、倍率性能差等缺点，从而制约了锂硫电池的进一步市场化。目前，已有许多国内外的科研工作者利用各种方法改善硫电极的电化学性能，例如采用碳材料和氧化物材料以提高硫正极复合材料的导电性能和循环性能。其中，碳材料包括各种孔结构的活性炭，碳管，碳纤维，石墨烯，氧化石墨烯等；氧化物材料包括氧化钴，氧化钛，氧化硅，氧化锰等。这些碳材料和氧化物材料的应用，使得硫正极复合材料的某些方面性能得到了改善，例如比容量、倍率性能、循环性能等，但往往忽视了对于高库伦效率的要求，而库伦效率作为工业化生产的锂硫电池尤为重要，其原因在于低的库伦效率将快速的消耗电解液中的锂盐及腐蚀锂负极，从而致使电池容量的快速衰减；硫正极的颗粒一般在纳米及亚微米尺寸，这种尺度材料虽然提高了硫电池的比容量和倍率性能，但是因其较大的比表面积却增加了电解液的使用量，降低了电池整体的质量能量密度；颗粒尺寸过小导致材料的压实密度低，也会影响电池的体积能量密度。综上所述，将大大地降低锂硫电池的市场竞争力。因此，在改善了锂硫电池的比容量、倍率性能和循环性能的前提下，如何提高和保持锂硫电池的高库伦效率和高压实密度(颗粒尺寸)将对其工业化应用发展具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种锂硫电池复合正极材料。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供上述正极材料的制备方法。

采用本发明的制备方法制备的具有核壳结构导电聚合物包覆硫碳的锂硫电池复合正极材料，具有高能量密度、高比容量、高库伦效率和长循环寿命，

解决上述第一个技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种锂硫电池复合正极材料，其特征是：在硫碳复合物的核外，包裹有导电聚合物膜层的壳。

解决上述第二个技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种如上所述正极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：