[发明专利]锂硫电池正极复合材料与正极及锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域的新材料及其制备方法，特别涉及一种碳包覆硫基正极复合材料、正极和包括该正极的锂硫电池。

背景技术

与其它化学电源相比，锂离子二次电池具有许多优异的性能，如能量密度高、循环寿命长、开路电压高、无记忆效应、安全无污染等，经过近二十年的飞速发展，已广泛的应用在移动电话、笔记本电脑、数码相机等领域。目前锂离子电池已成为电池发展的主要趋势，但随着移动式设备进一步的向小型化、薄型化方向的发展，对电池的能量密度提出更高的要求，而限制锂电池比容量提高的瓶颈是正极材料的比容量较低，如LiCoO₂的理论比容量274mAh/g，实际为130 mAh/g、LiMn₂O₄理论比容量为140 mAh/g，实际仅为120mAh/g。

单质硫能与锂反应生产硫化锂（Li₂S），比容量为1675 mAh/g，具有较高的能量密度。并且采用单质硫做正极还有如下的优势：①价格便宜，仅为1500-2500元/吨；②资源丰富；③环境友好，安全无毒；④比功率高，为目前锂电池的三倍；⑤放电平台不受温度影响，高、低温下操作性能良好，尤其低温；⑥固有的过充保护（氧化还原机理）。因此，单质硫被看成是高能量锂电池的最理想正极材料，但是，研究发现单质硫作为正极材料也存在很多缺陷，比如：单质硫是良好的绝缘体，电导率仅为5 ×10^-30S/cm，需添加大量的导电剂，大大的降低了材料的能量密度；另外反应产产物小分子硫化物易溶于电解质中，将导致电池循环性能恶化。

为了改善单质硫的缺点，许多研究者把注意力转向了有机硫化物。但有机硫化物仍然存在反应产物溶于电解液中以及电导率低的问题。因此，如何改善材料的导电性，并解决充放电中间产物的溶解问题，提高电池的循环性能，是硫基正极材料的研究重点。一种解决办法是将硫活性物质嵌入多孔导电体中，参见公开日为2002年06月19日，专利申请号为01143369.8的中国专利文献；另一种解决方法是将硫活性物质和高导电性的碳材料制备称复合材料，参见公开日为2010年06月02日，专利申请号为200910241977.1的中国专利文献。二者不仅工艺复杂，而且活性硫依然和电解液直接接触，不能完全避免反应物溶解于电解液，因此，电池的循环性能较差，100次循环后容量剩余不到50%。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中硫基正极材料导电性差，反应物易溶于电解液中的缺陷，提供一种导电导电性高、反应物不溶于电解液的碳包覆硫基正极复合材料与制备方法，以及比容量高、循环性能好的锂硫电池。

本发明的技术方案如下：

碳包覆硫基正极复合材料，其特征在于包括：硫基正极材料和无定型碳，无定型碳均匀致密地包覆在硫基正极材料表面，所述硫基正极材料颗粒为10纳米～10微米，所述无形型碳层厚度为1～5纳米。

所述硫基正极材料为本领域所共知的任何硫基正极材料，优选有机硫化物，最优选聚乙炔硫化物[（CH）_xS_m]、聚碳硫化合物及其衍生物[（CS）_n]、聚二硫代二苯胺（PDATA）和硫化聚丙烯腈中的一种或多种的任意比例。

所述无定型碳是通过有机碳源高温裂解形成，其制备过程是：将质量比为1:15～10:15的有机碳源和硫基正极材料均匀混合后，置于密闭的反应容器中，在流动惰性气体的保护下，在高温200～450℃下热处理数1～6小时以后，得到碳包覆硫基正极材料。

所述有机碳源为本领域所共知的任何有机碳，优选蔗糖、葡萄糖、抗坏血酸和尿素中的一种或多种。

所述有机碳源和硫基正极材料的质量比优选为，3:15～8:15。

所述惰性气体为本领域共知的任何惰性气体，包括氩气、氮气。

所述热处理温度优选为，300～400℃。

所述热处理时间优选为，2～3小时。

正极，包括集流体和负载在集流体上的正极材料，其特征在于：所述正极材料为包括正极活性物质、正极粘结剂、导电组分，其中，所述正极活性物质为上述碳包覆硫基正极复合材料。

所述正极材料组合物的正极活性物质、正极粘结剂、导电组分的含量为本领域中它们相应的常规含量，作为一种优选的实施方法，以各组分形成的组合物的总重量为基准，所述正极活性物质的含量可以为60～85 %，优选70～80 %（；所述正极粘结剂的可以为0.5～10 %，优选3～8 %；所述导电组分的含量可以为5～20%，优选10～15 %。