[发明专利]正极活性材料及其制备方法、全固态锂电池

说明书

本发明提供了一种正极活性材料及其制备方法、全固态锂电池。正极活性材料，包括纳米硫化亚铁和包覆纳米硫化亚铁的碳层。本发明的正极活性材料，第一方面，抑制了硫化亚铁在进行氧化还原反应过程中的体积膨胀；第二方面，抑制了反应过程中生成的Li₂S会迁移至负极的穿梭效应；第三方面，Li₂S是绝缘体，会导致全固态锂电池的离子电导率下降，但在包覆碳层后，由于碳层的离子电导率较高，因此可以提高全固态锂电池的离子电导率；第四方面，Li₂S不具有电化学活性，在纳米硫化亚铁上包覆碳层后会进一步使Li₂S具备电化学活性，减小极化，增强了电池的可逆性；从而提高了包括该正极活性材料的全固态锂电池的循环稳定性和电池比容量。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种正极活性材料及其制备方法、全固态锂电池。

背景技术

基于LiMO₂(M＝过渡金属)正极和石墨负极的锂离子电池，其能量密度在现今已经到了上限。

而为了增加锂离子电池的能量密度，满足电动汽车和大规模储能需要，过渡金属化合物作为正极材料得到了越来越多的关注。例如氧化物、硫化物和氟化物这几类过渡金属化合物在氧化还原反应过程中可以提供多个电子，从而能够使锂离子电池拥有更高的容量。

而在上述这些过渡金属化合物中，硫化亚铁(FeS)因其价格低廉、环境友好、理论容量(609mAhg^-1)高等优点而受到关注。

此外，将FeS作为正极活性材料应用到固态锂电池中，其反应原理为：FeS+2Li⁺+2e^-→Fe+Li₂S，一方面，非活性产物Li₂S与有机溶剂反应，提高电池的可逆性；另一方面，电化学还原产物Fe是顺磁性高活性的纳米颗粒，能够使含有Li₂S的混合物体系具有电化学活性。

但是硫化亚铁在进行氧化还原反应过程中会存在如下技术问题：一、存在体积膨胀效应；二、存在反应过程中生成的Li₂S易迁移至负极，导致全固态锂电池的容量急速衰减的问题，即存在穿梭效应；三、Li₂S是绝缘体，会导致全固态锂电池的离子电导率下降；四、Li₂S不具备电化学活性，会降低全固态锂电池的可逆性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正极活性材料，以抑制硫化亚铁在进行氧化还原反应过程中的体积膨胀；同时抑制反应过程中生成的Li₂S迁移至负极，导致全固态锂电池的电池容量急速衰减的穿梭效应；另外，还能提高全固态锂电池的离子电导率和可逆性。

本发明提供的正极活性材料，包括纳米硫化亚铁和包覆所述纳米硫化亚铁的碳层。

进一步的，所述纳米硫化亚铁的粒径为50-500nm。

进一步的，所述碳层的厚度为5-15nm。

本发明的目的之二在于提供一种正极活性材料的制备方法，包括如下步骤：

将纳米硫化亚铁和含碳高聚物混合，得到含碳高聚物包覆的纳米硫化亚铁，烧结，得到正极活性材料；

其中，所述正极活性材料包括纳米硫化亚铁和包覆所述纳米硫化亚铁的碳层。

进一步的，所述含碳高聚物选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚丙烯酰胺和聚丙烯亚胺中的至少一种，优选为聚乙烯吡咯烷酮。

进一步的，先将含碳高聚物溶解于溶剂中分散均匀，再加入纳米硫化亚铁混合均匀，然后去除溶剂，得到含碳高聚物包覆的纳米硫化亚铁。