[发明专利]高性能含锂有机硫电极材料及一体化柔性电极的制备方法

说明书

本发明提出了高性能含锂有机硫电极材料及一体化柔性电极的制备方法，本发明以具有双烯烃键的1,3‑二异丙烯基苯和Li2S6作为前驱体通过原位聚合的方法，反应生成含锂的有机硫化物Poly(Li₂S₆‑r‑DIB)。由于合成的含锂有机硫化物Poly(Li₂S₆‑r‑DIB)加热到一定温度表现出良好的粘性，可直接附着在柔性的导电碳布上，从而制得一体化的柔性电极。得到的柔性电极，具有高容量、高柔韧度、结构稳定等优点。

技术领域

本发明涉及有机聚合材料和一体化电极器件技术领域，尤其涉及高性能含锂有机硫电极材料及一体化柔性电极的制备方法。

背景技术

高容量、轻质和柔性化是便携式电子产品最重要发展趋势，随着时代和社会的不断发展，可折叠或可弯曲的便携式电子产品在不远的将来会影响甚至改变人类的生活方式。储能器件是便携式电子产品的核心部件，开发出高性能并具有柔性轻量化等综合性能的储能器件是柔性电子产品广泛应用的关键之一。因此，具有高比容度、柔性、轻量型等综合性能的储能器件的开发利用是柔性电子产品广泛投入使用的关键。

锂硫电池作为新一代储能体系，其理论比容量（1672 mAh g-1）远远高于目前商业化的锂离子电池，可满足大部分电子设备对于储能的要求。由于硫在地壳中含量丰富且经济实惠，使得锂硫电池成为一种特别具有吸引力且成本低的储能技术。虽然在锂硫电池体系中硫正极具有成本低、环境友好等优点，但是在长期的研究中，人们也发现了锂硫体系中存在着一些缺点，这也阻碍了锂硫电池体系商业化的进程。锂硫电池在充放电的循环中，其电化学过程并不是一步完成的，而是包括一系列的转化反应和多硫化物(Li₂S_x, 2 x ≤8)的形成，其结果就导致硫的体积膨胀和产生穿梭效应。而且，硫是不良导体，具体较低的电导率，这些缺陷导致电池循环寿命大大减少。然而，在上述的缺陷中，锂硫电池的穿梭效应是最为致命的。在放电和充电循环过程中，正极中产生可溶解在电解液中的长链多硫化物(Li₂S_x, 4 x ≤ 8)向负极移动并与锂金属反应形成不溶于电解液的短链多硫化物(Li₂S_x, 2 x ≤ 4)，而且短链多硫化物扩散回正极再次产生长链多硫化物。该过程通常导致活性材料的不可逆损失和低的库仑效率，这是容量快速衰减、低能量效率、严重的自放电和差的循环稳定性的主要原因。

针对上述的缺陷，尤其是穿梭效应，国内外的研究者主要从材料改性和化学聚合方面进行研究。一是材料改性方面，通过纳米孔的物理限制和提高硫与碳基质的化学亲和力，可以协同地减少多硫化锂的穿梭效应。例如制备硫的蛋黄 - 壳结构复合材料，多硫化物吸收材料以及各种纳米结构碳材料作为硫主体材料来限制其通道内的硫，包括有序介孔碳（CMK-3）、碳纳米管、碳纳米纤维、碳球、石墨烯、氧化石墨烯和导电聚合物等。尽管碳材料的杂原子掺杂和表面官能化促进了多硫化物的化学捕获和提高了多孔基质与多硫化物之间的亲和力，但由于有限的表面积和少量的吸附位点，多硫化锂的捕获效率仍然不能令人满意。此外，这些官能团大的孔径和不均匀的分布成为硫的均匀分布和固态产物在碳基质上优先沉积的主要障碍。

二是化学聚合方面，通过聚合反应得到的特殊有机聚合物作为新的硫正极材料。有机聚合物是使用具有多个可聚合自由基基团的单体与长硫链（在100℃至200℃的温度下，熔融断开的的硫八元环分子具有双自由基）产生交联聚合得到的。但是，传统的有机硫作为锂硫电池的正极材料，依然使用传统的搅浆涂片的方法，而且对电池初始循环的容量损失没有很好的改善。

发明内容