[发明专利]锂硫电池正极材料、其制备方法和锂硫电池

说明书

本发明提供一种锂硫电池正极材料、其制备方法和锂硫电池。本发明提供的锂硫电池正极材料为钴酸锰微球和硫单质形成的复合材料，所述的硫单质的质量含量为50~90%。本发明提供的钴酸锰对多硫化物具有极强的吸附作用，可以有效抑制多硫化锂在醚类电解液中的溶解，减缓电池充放电过程中的穿梭效应，降低锂硫电池的容量衰减，提高电池寿命。本发明提供的锂硫电池在0.1 C电流下，初始放电容量为991 mAh/g(按复合材料计算)，100次循环后容量为750 mAh/g，容量保持率为75.7%。

技术领域

本发明涉及锂硫电池，特别是锂硫电池正极材料及其制备方法，以及采用该正极材料的锂硫电池。

背景技术

化学电池又称为化学电源，是把化学反应产生的能量直接转变为低压直流电能的装置。随着科学技术的进步和社会的飞速发展，人们对化学电源的需求日益增大。相比于传统二次电池，如铅酸电池、镉镍电池和镍氢电池，锂离子电池具有更高的容量和能量密度，是目前应用最为广泛的化学电源。然而，过渡金属层状化合物的摩尔质量较大，锂离子嵌入量较小，因此锂离子电池的理论比容量不超过300 mAh/g，其极限质量能量密度为300 Wh/kg，远远不能满足未来便携式电子产品以及电动汽车动力电源的需求。锂硫电池是一种以锂金属为负极，硫单质为正极的具有高能量密度的二次电池体系。单质硫是一种轻质、具有多电子反应能力的正极材料，与锂金属反应生成硫化锂，其理论比容量为1672 mAh/g，理论能量密度高达2600 Wh/kg。此外，单质硫来源丰富、价格低廉且无毒无害，可以降低电池成本，减小对环境的危害。

尽管锂硫电池具有高能量密度的巨大优势，但锂硫电池同样存在一些问题亟待解决。（1）正极材料的导电性差：室温下硫单质的导电率为5×10^-30 S/cm，是典型的电子和离子绝缘体；放电中间产物（多硫化物，Li₂S₄~Li₂S₈）为电子和离子的不良导体，使电池内阻增大，极化现象严重；放电终产物（硫化锂）沉积在电极表面，其绝缘性阻碍电子和离子的传输，降低活性物质利用率；（2）穿梭效应：充放电过程产生的多硫化物易溶解于电解液，可以扩散迁移至锂负极生成硫化锂，造成活性物质流失；在充电过程中，负极侧的多硫离子得到电子变成低阶多硫离子迁移回正极，再失去电子成为高阶多硫离子，并继续扩散至负极，如此往复形成“穿梭效应”，严重降低充放电效率。：（3）体积效应：硫单质和硫化锂的密度分别为2.07 g/cm³和1.66 g/cm³，充电过程中由Li₂S氧化至S时，正极的体积膨胀高达79%，会导致Li₂S粉化脱落。针对锂硫电池存在的问题，目前主流的解决策略是将硫与碳复合，增加电极的导电性，并通过碳材料的特殊结构抑制多硫化物的穿梭效应，降低体积膨胀的影响。一些氧化物（如氧化钛、氧化锰、氧化镧等）、氮化物（如氮化钛、氮化钨、氮化钼等）具有极性，可以吸附多硫离子，也可以用于硫正极。此外，一些聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚丙烯腈等本身具有柔韧性、可以减缓反应过程中的体积效应。

发明内容

本发明提供一种锂硫电池正极材料、其制备方法和锂硫电池，达到减缓多硫化锂在醚类电解液中的溶解和穿梭，从而提高锂硫电池的循环性能的目的。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种锂硫电池正极材料，它是由钴酸锰和硫单质形成的复合材料，其中，硫单质含量为50-90wt%。

进一步地，以上所述钴酸锰为含有介孔的微球，介孔大小为10~50 nm，钴酸锰微球直径为1~10μm。

本发明另一种典型的实施方式提供一种制备以上锂硫电池正极材料的方法，包括：

步骤（一），钴酸锰的制备，

（1）去离子水和无水乙醇混合；