[发明专利]一种高载量硫正极及含有高载量硫正极的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种高载量硫正极及含有高载量硫正极的锂硫电池。所述高载量硫正极包括：至少一层含有水溶性粘结剂的第一正极层和至少一层含有油溶性粘结剂第二正极层，且第一正极层和第二正极层依次交替分布；所述第一正极层包含硫碳复合粉体、水溶性粘结剂和导电剂；所述第二正极层包含硫碳复合粉体、油溶性粘结剂和导电剂。

技术领域

本发明涉及一种高载量硫正极的制备方法及利用该方法制备的高载量锂硫电池，属于锂硫电池领域。

背景技术

锂离子电池被广泛应用于便携式电子产品，新能源汽车，大规模储能等领域。然而现阶段锂离子电池的能量密度已经接近其理论值，难以满足市场发展的需求。锂硫电池采用高放电比容量的硫正极(1675mAh g^-1)和锂金属负极(3860mAh g^-1)，其理论能量密度高达2600Wh kg^-1，数倍于目前的锂离子电池，具有广阔的应用前景。

目前锂硫电池距离大规模商业化还存在一定距离，其中主要问题之一是难以充分利用锂硫电池的高能量密度优势。实现高能量密度锂硫电池的前提是使用面容量大于6mAhcm^-2的高载量硫正极，然而目前研究和报道的硫正极普遍面容量低于3mAh cm^-2，这一面容量使得锂硫电池的能量密度相比于锂离子电池并无明显优势。造成这一现象的主要原因是高载量硫正极制备难度大。硫正极活性材料是由密度小和比表面积大的单质硫和碳复合而成，因此实现高载量的硫电极对活性物质厚度有着更高的要求。传统的涂覆方式在电极浆料涂覆厚度达到一定数值的时候会造成涂覆层的开裂和脱离集流体，大量的溶剂挥发导致电极结构不稳定是造成这一现象的主要原因。

目前针对这一问题提出了一些解决方法。或是采用自支撑材料作为硫的载体，从而避免电极的开裂(Chemical Engineering Journal 399(2020)125674)；或是在涂覆硫碳粉体的同时加入大量高密度和低比表面积的过渡金属化合物(Nature Energy,4(2019)374-382)降低溶剂的使用量。采用自支撑电极，省略涂覆浆料过程虽然可以实现高的载量，但是这一研究仅限于制备扣式电池，由于自支撑材料的加工性能差，无法焊接极耳等问题使其难以实际应用。向硫碳粉体中添加大量的低比表面，高密度的过渡金属化合物同样降低锂硫电池的能量密度，有悖于高能量密度的目标。

发明内容

为了避免传统涂覆方式造成的电极开裂和脱离集流体等问题，本发明公开一种普遍适用的高载量硫正极及其制备方法(或称涂覆方法)，从而实现高载量锂硫电池。

一方面，本发明提供了一种高载量硫正极，包括：至少一层含有水溶性粘结剂的第一正极层和至少一层含有油溶性粘结剂第二正极层，且第一正极层和第二正极层依次交替分布(依次交替层叠分布)；所述第一正极层包含硫碳复合粉体、水溶性粘结剂和导电剂；所述第二正极层包含硫碳复合粉体、油溶性粘结剂和导电剂。

较佳的，所述水溶性粘结剂选自LA132/LA133、羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚乙烯醇的至少一种；所述油溶性粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)。

较佳的，所述第一正极层中硫碳复合粉体的含量为70～90wt％，水溶性粘结剂的含量为5～15wt％，导电剂的含量为5～15wt％。优选为，80％～90％硫碳复合材料，5％～10％导电剂，5％～10％水溶性粘结剂，总质量之和为100wt％

较佳的，所述第二正极层中硫碳复合粉体的含量为70～90wt％，油溶性粘结剂的含量为5～15wt％，导电剂的含量为5～15wt％。优选为，80％～90％硫碳复合材料，5％～10％导电剂，5％～10％油溶性粘结剂，总质量之和为100wt％。

较佳的，所述第一正极层的厚度为10μm～300μm，优选为10～100μm，更优选为10～80μm。所述第一正极层的层数优选至少为1层(例如，2-3层)。