[发明专利]电极复合材料及其制备方法、正极、具有该正极的电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极复合材料。

本发明还涉及一种电极复合材料的制备方法。

本发明还涉及一种具有该电极复合材料的正极。

本发明还涉及一种具有该正极的电池。

背景技术

近年来，随着科技的发展，对能源尤其是可再生绿色能源的需求越来越突出，电池作为能量的储存和转换装置正发挥着不可替代的作用。锂离子电池因其具有很高的质量比能量和体积比能量，吸引了广泛的关注。低成本，高能量密度，长循环寿命，绿色环保的二次电池是目前锂离子电池开发的重点。

目前商品化的正极材料主要是层状或尖晶石结构的锂过渡金属氧化物(如钴酸锂、锰酸锂)和橄榄石结构的磷酸铁锂等。钴酸锂(LiCoO₂)的理论容量相对较大，275mAh/g，但其价格高，有一定毒性，而且该正极材料在过充时易发生放热分解反应，不仅使电池容量明显下降，同时对电池安全也造成威胁；锰酸锂(LiMn₂O₄)的理论容量为148mAh/g，实际容量低于130mAh/g，该正极材料的稳定性不好，在充放电过程中容易引起晶格变形，导致循环效率偏低；磷酸铁锂(LiFePO₄)的理论容量为172mAh/g，该正极材料的导电性差，使得电池的可逆容量降低。上述常用锂离子电池正极材料容量普遍不高，同时也均存在一些问题，不能满足电池开发需求。

单质硫的理论比容量为1675mAh/g，与金属锂组装成电池的理论比能量可达到2600mAh/g，远高于目前已商品化的正极材料，成为当前电池发展的主要趋势。单质硫和含硫的无机硫化物、有机硫化物、聚有机二硫化物、有机多硫化物、聚硫代化物以及碳-硫聚合物等作为高容量的正极材料广受关注，但是这些材料依然存在一些问题。

首先，单质硫和硫化物本身的导电性很差，需加入大量的导电剂来增加其导电性；其次，单质硫作为正极活性材料时，虽然完全充电时正极上存在的元素硫和完全放电时存在的Li₂S难溶于极性有机电解质，但是部分充放电正极存在的多硫化锂易溶于极性有机电解质，另外，聚有机硫化物放电时产生的小分子硫化物也易溶于有机电解质，影响电池的循环性能。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，是含硫正极材料的研究重点。

中国专利申请CN101891930A提供了一种含碳纳米管的硫基复合正极材料，单质硫镶嵌入复合材料中，提高了电池容量，但是由于正极材料采用了碳纳米管这一价格昂贵的材料，使得该电池成本价高，工艺较复杂，不适合产业化。

发明内容

本发明提供一种高电极容量以及电化学可逆性好的电极复合材料。

本发明提供了一种电极复合材料，所述电极复合材料包括单质硫，聚吡咯和多壁碳纳米管。

优选的，所述电极复合材料具有核壳管状结构，所述电极复合材料的管径尺寸范围为60-140nm。

优选的，具有管状结构的所述电极复合材料的平均直径为81nm。

优选的，所述聚吡咯形成于所述多壁碳纳米管上。

优选的，所述单质硫包覆所述聚吡咯和多壁碳纳米管。

优选的，所述聚吡咯连接所述单质硫和多壁碳纳米管。

优选的，在所述电极复合材料中，所述单质硫的比重范围为30-85％，所述聚吡咯的比重范围为10-40％，所述多壁碳纳米管的比重范围为5-30％。

本发明还提供了一种正极，所述正极包括如上所述的电极复合材料。

本发明还提供了一种电池，包括正极、负极以及设于正极和负极之间的电解质，所述正极至少包括如上所述的电极复合材料。

本发明还提供了一种电极复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

将聚吡咯/多壁碳纳米管加入到含硫的悬浮液中，分散均匀后干燥，将干燥后的所得物在惰性气体氛围中加热处理，得到所述电极复合材料。

优选的，所述加热处理的温度范围为150-300℃，加热处理时间范围为3-5h。

优选的，所述分散是在超声条件下进行的。

优选的，所述聚吡咯/多壁碳纳米管通过原位聚合法制备，包括如下步骤：