[发明专利]一种正极材料及其制备方法、硫正极、金属硫电池

说明书

为克服现有金属硫电池正极材料存在电极粉化和多硫化物穿梭导致的锂硫电池容量急剧下降的问题，本发明提供了一种硫正极材料，包括硫基材料和粘结剂，所述硫基材料和所述粘结剂相互掺混，所述粘结剂包括聚(3,4‑乙撑二氧噻吩)与木质素磺酸的复合物。同时，本发明还公开了上述硫正极材料的制备方法、以及包括上述硫正极材料的硫正极和金属硫电池。本发明提供的硫正极材料能够有效提高硫正极的结构稳定性、抑制多硫化物穿梭、提高电子导电性能，进而提高金属硫电池的循环稳定性、容量保持率等电化学性能。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种正极材料及其制备方法、硫正极、金属硫电池。

背景技术

金属硫电池因为具有高能量密度、硫储量丰富、成本低廉、环境友好等优势，被公认为新一代的高能电池体系，具有很好的发展前景。但是，由于硫导电性差、中间产物多硫化物易溶于电解液导致穿梭效应、充放电过程中体积膨胀大等问题，限制了金属硫电池的大规模应用。

为此，研究人员通过制备各种新型硫基材料、优化电解液、改性隔膜等方式，改善电池性能。其中，粘结剂作为电极的重要组成部分，不仅支撑电极结构，而且合适的粘结剂有助于活性物质性能的发挥。传统的粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)由于分子间范德华力弱，充放电过程容易发生电极粉化，导致电池性能下降，且对金属硫电池中的多硫化物没有抑制作用。

现有研究人员开发各种新型的功能性粘结剂，例如采用廉价易得的造纸废料，木质素磺酸盐来作为锂硫电池的粘结剂，利用木质素中的极性磺酸基基团等带来的优势，对比PVDF样品，锂硫电池的电化学性能得到了一定的改善，但因为木质素低聚物分子链长度有限，实际粘结力等性能等提升有限。

崔屹课题组比较了不同导电聚合物包覆纳米硫的硫基正极电化学性能。实验结果表明，PEDOT包覆硫展现出更优异的循环稳定性和倍率性能。在0.5C倍率下循环500圈后，电池放电比容量保持780mAh g^-1，远远高于其他导电聚合物(PANI、PPy)。理论计算表明，相比PANI和PPy，PEDOT上的杂原子与Li₂S的相互作用更强，这有利于电池的循环稳定性。但PEDOT本身的导电性不强，虽然某些三价离子(如Fe³⁺)掺杂能给PEDOT带来一定的导电性，但是采用此方法获得PEDOT不溶于水且颗粒较大，难以水分散，不适合作为电池粘结剂使用。

Xiaogang Zhang等人测试了PEDOT和PSS的复合物作为粘结剂的锂硫电池的电化学性能，发现即便加了乙炔黑作为导电剂，将PEDOT-PSS作为粘结剂的锂硫电池在100圈循环后的放电容量仅为570mAh g^-1，100圈循环后容量保持率仅为79％。说明PEDOT-PSS能够作为锂硫电池的粘结剂使用，但使用效果一般。

发明内容

针对现有金属硫电池正极材料存在电极粉化和多硫化物穿梭导致的锂硫电池容量急剧下降的问题，本发明提供了一种正极材料及其制备方法、硫正极、金属硫电池。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种硫正极材料，包括硫基材料和粘结剂，所述硫基材料和所述粘结剂相互掺混，所述粘结剂包括聚(3,4-乙撑二氧噻吩)与木质素磺酸的复合物。

可选的，所述硫基材料包括硫单质、碳硫复合物或硫/腈类复合物中的一种或多种。

可选的，所述碳硫复合物包括碳纳米管、石墨烯、super P、科琴黑中的一种或多种与硫的复合物，所述硫/腈类复合物包括硫/聚丙烯腈复合物。

可选的，所述硫基材料与所述粘结剂的质量比为60～90：5～15。

可选的，所述聚(3,4-乙撑二氧噻吩)与木质素磺酸的复合物中，聚(3,4-乙撑二氧噻吩)与木质素磺酸的摩尔比为1：0.5～5。