[发明专利]一种锂硫电池用复合正极材料及工作电极的制备方法

说明书

一种锂硫电池用复合正极材料及工作电极的制备方法，电力电子器件及储能材料制备领域。利用将S/C(多孔碳)复合材料加入锂电粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)和溶剂NMP(N‑甲基吡咯烷酮)搅拌成均匀浆料，然后将浆料涂敷在铜箔上，在浆料干燥期间，S/C(多孔碳)复合材料已与铜箔发生反应，再将反应后的材料取下，即可获得原位制备的纳米CuS/C(多孔碳)复合材料。本发明制备的纳米CuS/C复合材料可以作为锂硫电池正极材料，利用纳米CuS的高导电性增加锂硫电池电极导电性，同时利用Cu²⁺与S的协同作用，化学吸附多硫离子，达到抑制穿梭效应的目的，从而提高锂硫电池库伦效率、放电容量和循环性能。

技术领域

本发明属于电力电子器件及储能材料制备领域，特别涉及一种具有良好的循环性能及库伦效率的锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

CuS/C复合材料是纳米CuS颗粒均匀的分散在碳材料孔径内的一种纳米复合材料，也就是由纳米CuS和多孔碳材料组成的纳米复合材料。CuS是一种化学稳定性好的金属硫化物材料，是一种重要的半导体材料。纳米CuS的粒径小、比表面积大，该半导体材料在化学电池、制备发光二极管、光催化剂和电等方面有潜在的应用。

锂硫电池(Li-S)被认为是最具潜力的储能载体，其理论比容量为1675mAh/g，能量密度为2567Whk/g，远高于目前商业用途使用的二次电池。硫还具有成本低，储量丰富，环境友好等优点。但是，硫的电导率很低，不能单独用做正极，而CuS具有较高的电子导电率(10^-3S/m)，可以提高锂硫电池的正极材料的导电性，近而提高锂硫电池的库伦效率。锂硫电池充放电过程中生成的多硫化锂溶解在电解液中，扩散到负极与锂金属反应，造成活性物质的损失，降低锂硫电池放电容量，这一现象是锂硫电池的穿梭效应，穿梭效应是造成锂硫电池放电容量、循环性能差的主要原因。使用纳米CuS/C复合材料制作成锂硫电池的正极材料，利用Cu²⁺与S的协同作用，化学吸附多硫离子，达到抑制穿梭效应的目的从而提高锂硫电池的库伦效率、放电容量和循环性能。

任玉荣等人[专利号201410040536.6]报道了一种经过两次水热法制备锂离子电池阳极材料CuS@rGO，将氧化石墨烯(GO)分散至去离子水中，加入CuSO₄·5H₂O和还原型谷胱甘肽，搅拌均匀，将混合液装入反应釜，密封后放入鼓风干燥箱，加热至200℃反应10个小时，得到纳米CuS/氧化石墨烯复合材料—CuS@GO；将得到的CuS@GO分散至去离子水中，加入NaBH₄，搅拌均匀，再次水热反应，加热至120℃后反应4个小时，得到纳米CuS和还原石墨烯复合材料—CuS@rGO。这种方法虽然提高了锂离子电池的首次放电容量、可逆容量和库伦效率，但是需要经过两步的水热处理才能制备出CuS@rGO复合材料，制备工艺较复杂。

发明内容

鉴于此，本发明所要解决的技术问题是：抑制锂硫电池充放电过程中的穿梭效应，以及提高锂硫电池的库伦效率和循环性能。硫化铜是一种良好的电子导电体，使用纳米CuS/C复合材料作为锂硫电池的正极材料，可以提高锂硫电池电极的导电性，近而提高锂硫电池的库伦效率；在锂硫电池正极加入纳米CuS，利用Cu²⁺与S的协同作用，化学吸附多硫离子，达到抑制穿梭效应的目的，提高锂硫电池的库伦效率和循环性能。

本发明提供了一种锂硫电池用复合正极材料，所述的正极材料由原位合成的纳米CuS和多孔碳组成。

如上所述锂硫电池用复合正极材料的制备方法，利用将S/C(多孔碳)复合材料加入PVDF(聚偏氟乙烯)和溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)搅拌成均匀浆料；然后将浆料涂敷在铜箔上；等待浆料完全干燥后，S/C复合材料已与铜箔发生反应，Cu+S＝CuS将反应后的材料取下，这样形成了CuS/C复合材料。

本发明采用的是单质硫粉、多孔碳和商业锂离子电池阳极集流体-铜箔，在溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)的作用下，硫与铜箔反应生成CuS。