[发明专利]一种锂-硫电池正极极片及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种以L-半胱氨酸或L-胱氨酸为添加剂的锂-硫电池正极极片及其制备方法。

背景技术：

单质硫的理论比容量为1672mAh/g，理论比能量为2600W/kg，在所有已知的锂电池正极材料中最高。同时，单质硫物产丰富、对环境无害，使锂-硫二次电池成为近年来研究的热点。

一般锂-硫电池的正极材料由活性物质、导电剂和黏合剂组成。传统的黏合剂，如PEO、丁苯橡胶或聚偏氟乙烯(PVDF)等，溶于非水溶剂中，再与硫和导电剂混合制成浆液。这些黏合剂在正极材料中的添加量大，所制浆液在集流体表面铺展性差。真空干燥去除残余溶剂后活性物质与导电剂易从集流体上脱落，在充放电过程中稳定性差，成为锂-硫电池的容量衰减严重的一个重要原因。明胶是哺乳动物结缔组织中的胶原，经适度水解和热变性得到的大分子蛋白质。前期研究已证明，明胶用作锂-硫电池正极黏合剂具有明显的优势，电池容量和循环性能都得到显著提高。本申请的发明人在ZL200710122444.2专利中公开了一种通过冷冻干燥法制备多孔正极，使锂-硫电池电化学性能得到了一定提高。

L-半胱氨酸是一种具有生理功能的氨基酸，在生命活动中起到重要作用。它是组成蛋白质的20多种氨基酸中唯一具有还原性基团巯基(-SH)的氨基酸。作为一种还原剂，在医药、食品添加剂和化妆品中有广泛应用。医药上有促进机体细胞氧化和还原的机能，增加白血球和阻止病原菌发育等作用。鉴于其优异的电化学活性，在电化学分析和电催化方面研究活跃。主要集中在两个方面：一是作为工业中生产硫醇的主要途径，通过电化学还原胱氨酸合成半胱氨酸；另一是通过半胱氨酸的电化学分析，研究其生物活性。

L-半胱氨酸溶于水、乙醇、乙酸和氨水，不溶于乙醚、丙酮、乙酸乙酯、苯、二硫化碳和四氯化碳。在中性和弱碱性溶液中被空气氧化成L-胱氨酸。目前，尚未见有将L-半胱氨酸、L-胱氨酸或其他种类氨基酸应用于锂-硫电池中的报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种锂-硫电池正极极片的制备方法，在以明胶为黏合剂基础上，通过引入L-半胱氨酸或L-胱氨酸添加剂来提高电极的氧化还原性，从而进一步改善电池的电化学可逆性和循环稳定性。

本发明的锂-硫电池正极极片，由传导电流的集流体以及涂覆在集流体上的活性物质、导电剂、黏合剂和添加剂组成，其特征是：所述的黏合剂为明胶，添加剂为L-半胱氨酸或L-胱氨酸。正极活性物质、导电剂、黏合剂和添加剂的质量比为50-80∶20-40∶5-15∶0.1-0.2。

所述的集流体为铝箔或铝网。

所述的正极活性物质为S₈、Li₂S_n(1≤n≤8)或有机硫化合物，其中有机硫化物优选为碳硫聚合物(C₂S_x)_m(其中x为2.5-50，且m≥2)。

所述的导电剂为碳基导电剂，如导电炭黑、乙炔黑或石墨粉等。

所述的明胶可以是各种方法制得的，依其来源不同分为皮明胶或骨明胶。

本发明还提供了上述锂-硫电池正极极片制备方法，配制质量百分浓度为1-6％的明胶水溶液；加入L-半胱氨酸或L-胱氨酸添加剂，用碱液调节pH值为7-10，碱液可以是0.5-1.0mol/L氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的水溶液。然后加入正极活性物质、导电剂均匀混合，其中，正极活性物质、导电剂、明胶黏合剂和添加剂的质量比为50-80∶20-40∶5-15∶0.1-0.2。混合的方法可以是机械球磨法、物理研磨法或机械搅拌法。制成的正极浆料涂覆在集流体表面，干燥后制成锂-硫电池正极极片。

上述正极物质浆料的干燥过程可采用真空干燥法或其他干燥方法，如溶剂脱水干燥法。

本发明所制备的以L-半胱氨酸或L-胱氨酸为添加剂的锂-硫电池正极，循环容量和循环寿命均得到提高。在硫正极材料中加入L-半胱氨酸或L-胱氨酸添加剂，能在正极表面形成稳定的固体/电解质膜并有效改善硫正极电化学性能。L-半胱氨酸或L-胱氨酸添加剂显著提高了锂-硫电池的电化学可逆性和氧化还原性，电池放电比容量、循环稳定性均有明显提高。