[发明专利]一种锂硫电池用薄层状电极及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用薄层状多孔电极及其制备和应用，选用低凝固点溶剂，制备活性物质浆料，通过冷冻干燥法制备得到薄层状电极；薄层状电极制备方法简单，工艺环保，材料结构稳定，薄层状电极结构利于提高高担量Li‑S电池的性能。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池用电极材料。

背景技术

在过去20年中，锂离子电池快速发展，并迅速占领手机电池、移动电源等便携式电子产品电池领域。但基于“脱嵌”理论的锂离子电池，其理论比容量目前小于300mA h g^-1，实际能量密度小于200Wh kg^-1，远不能满足人们对电子设备、电动汽车及无人机的需求。锂硫电池作为一种新的电化学储能二次电池，区别于传统的“摇椅式锂离子电池”，在放电过程中，活性物质硫和金属锂发生两电子反应，从而释放高达1675mAh g^-1的理论比容量和2600Wh kg^-1的理论比能量，同时，活性物质硫具有自然丰度大，成本低，低毒，环境友好等优点。因此，锂硫电池被认为是可替代锂离子电池的新型二次电池之一，具有良好的应用前景。

然而，锂硫电池的材料和系统仍面临着许多挑战：1)活性物质单质硫及放电产物硫化锂Li₂S导电性差(电导率为约10^-30S cm^-1)，进而导致硫正极内部电化学接触不良，从而引起电池较大的内部阻抗；2)硫和硫化锂之间密度的差异会在放电过程中引起近80％的体积膨胀；3)反应中间产物多硫化物在充电过程中受电场力和浓度梯度的影响在正负极间穿梭，并且会与硫正极和锂负极发生副反应，降低库仑效率；4)醚类电解液会与金属锂反应，在负极表面形成锂枝晶，进而引发安全问题；5)金属锂表面钝化形成SEI膜，减少金属锂的有效反应位点，阻碍进一步反应。因而循环性能差，倍率性能低是制约着Li-S电池产业化发展。从锂硫电池正极材料入手，可有效解决上述的部分主要问题。

Li-S电池近几年内迅速发展，在硫担量小于2mg cm^-2时，其循环性能和倍率性能均有较大的提升。虽然低担量电极能有效缓解诸多问题，其较低的能量密度却无法满足实际应用的要求！因而要发展高担量锂硫电池获得较高的能量密度。然而，高担量电池的电化学性能较差，其主要原因在于1.基于刮涂法制备高担量电极时电极易开裂,活性物质易脱落,使电极在电池内反应时不稳定；2高担量电极内部传质较差，电极内部的电子传导和离子传输受限，无法为反应提供充足的电子和离子。本发明通过提供一种薄层状多孔电极，改善电极内部传质，为电极反应提供较快的电子和离子传输路径，加快反应进行，提高电池的循环性能和倍率性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种薄层状电极及其在锂硫电池中的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用正极材料，

选用低凝固点溶剂，使用可溶高分子树脂做粘结剂，混合碳/硫复合物和导电碳，涂敷于基底上，通过冷冻干燥法于基底上制备成薄层状电极；

所述低凝固点溶剂为水、莰烯；优选：水；

当溶剂为水时，粘结剂选用LA系列、羧甲基纤维素-丁苯橡胶(CMC-SBR)、β-环糊精、聚乙烯醇等中一种或二种以上；优选：CMC-SBR当溶剂为莰烯时，无需高分子树脂做粘结剂，但需模具做为模板；

所述碳/硫复合物为碳材料与硫的复合物中的一种或二种以上。碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super-P、乙炔黑、活性炭或其相关修饰或活化的碳材料中的一种或两种以上。

所述的导电碳可为上述碳材料中的一种或两种以上，优选石墨烯。

所述的薄层状电极，可设计为微孔，介孔或大孔结构。