[发明专利]一种固态锂硫电池用复合硫正极、其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种固态锂硫电池用复合硫正极、其制备方法和应用，该正极由复合硫材料、粘结剂和导电剂制成，该复合硫材料包括离子/电子导电载体和活性硫；所述载体包括导电碳成分、锂离子导体和极性吸附成分。本发明通过离子/电子导电载体与活性硫复合，使硫分散到上述导电载体中构建具有离子/电子导电的复合硫材料，并与粘结剂、导电剂涂布电极后，通过将锂离子导电聚合物电解质渗入到电极内部填充空隙并构建离子导通网络。本发明构建连续导电网络并负载硫提供反应空间，锂离子导电聚合物电解质在电极中填充进一步构建电极内部良好离子传输，提升硫电极性能发挥。所述复合硫正极结构稳定，制备工艺简单，可用于大容量固态锂硫电池研制。

技术领域

本发明属于新能源材料电化学技术领域，具体涉及一种固态锂硫电池用复合硫正极、其制备方法和应用。

背景技术

随着城镇化率的快速增长，城市的发展给环境带来了巨大的压力，近年来雾霾天气的逐渐增多以及PM2.5所引发的问题受到广泛关注。2018年在波兰召开的《联合国气候变化框架公约》第24次缔约国会议，就一份旨在确保2015年《巴黎协定》原则实施的“规则书”文本达成共识。各方同意追求在本世纪末将全球升温控制在比前工业化时期不高于2℃，在此基础上进一步追求1.5℃的目标，实现1.5℃这个目标，对缓和海平面上升、极端天气、珊瑚礁消亡、粮食减产、生物多样性消失都有重要意义。为此，世界必须实现“快速、深刻和史无前例的变革”，包括：在2030年前将温室气体排放比2010 年水平降低45％，到2050年实现零净排放。

发展新能源汽车是国际公认的降低碳排放的重要举措，目前已经有多个国家制定了禁售燃油车时间表。近年来新能源汽车得到快速发展，同时也带动全球动力电池市场的高速增长。根据相关统计，2018年我国动力电池总装机量达到56.89GWh，相比2017年增长56.88％。我国新能源汽车动力电池市场规模全球第一，连续三年成为全球第一大动力电池市场。按照《中国制造 2025》总体部署，需要持续提升现有产品的性能质量和安全性，进一步降低成本。到2020年，新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤；系统比能量力争达到260瓦时/公斤、成本降至1元/瓦时以下，使用环境达-30℃到 55℃，可具备3C充电能力。到2025年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达500瓦时/公斤。随着电池能量密度的提升，电池的安全性能成为重大挑战。2018年新能源汽车发生多起自燃事故，使得对动力电池的安全性提出更高要求。

因此，在兼顾动力电池高能量密度的同时，还需要重点关注电池的安全性能。研发高能量密度、高安全性动力电池成为新能源汽车大规模使用的关键，也将更好更早地完成我国提出节能减排的目标。基于传统过渡金属氧化物正极和碳负极的锂离子电池，能量密度提升已经接近极限，难以进一步满足电动汽车续航里程的需求。开发新体系动力电池技术是实现2025年动力电池能量密度指标的必经之路。在动力电池领域中，锂硫电池由于采用硫作为正极材料，具有高的理论能量密度，且原料丰富、成本低廉；与金属锂构成的锂硫电池，其能量密度能够在现有材料基础上提高3-5倍。因此，锂硫电池是下一代最具有应用前景的锂二次电池之一。

锂硫电池经过几十年的发展，在正极材料结构设计制备、液体电解质组分优化、隔膜表面修饰及金属锂表面保护方面取得了显著进步，在一些关键材料方面也取得突破性进展。然而锂硫电池要满足实用仍然面临诸多挑战，主要包括：(1)硫和硫化锂材料本征绝缘性，无法充分反应；(2)在有机电解液中生成的可溶性中间产物多硫化锂会在正负极间穿梭，造成活性物质损失及库伦效率低；(3)充放电过程中体积变化大，导致电极结构破坏，性能退化；(4)金属锂循环过程中的腐蚀及粉化问题。