[发明专利]一种锂硫电池正极结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极及其制备方法，特别涉及一种正极结构及其制备方法。

背景技术

近年来，随着科技的不断进步，各种电子产品的快速发展，要求所用的化学电源具有质量轻、体积小、容量大等特点。要想适应社会的需求，大幅度提高电池的能量密度，新材料和新体系的开发是必须的。

锂硫电池是一种以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，其比能量理论上可达到2600Wh/kg，实际能量密度目前能达到300Wh/kg,未来几年内极有可能提高到600Wh/kg左右,同时单质硫正极材料具有来源丰富、价格便宜、环境友好等优点，被认为是当前最具研究吸引力的二次电池体系之一。

然而，锂硫电池的发展还存在很多问题。例如，实际的锂硫电池能量密度不高是限制其实际应用的关键因素之一。要想提高整个电池的能量密度，就要提高正极活性物质担量。由此引起的电极皴裂、电荷及离子转移电阻偏高，容量发挥不高、电池循环稳定性差等问题噬待解决。

目前，锂硫电池正极通常是通过将含硫材料、导电添加剂和粘结剂按照一定的比例分散在溶剂中制成浆料，并将浆料直接涂覆在铝箔集流体上并烘干得到。

中国专利（申请号201210032447.8）公开了一种锂硫电池正极极片的制备方法。该方法仅改善了集流体的耐腐蚀性，并不能改善高担量的活性物质的电荷及锂离子的转移电阻。

中国专利（申请号201010513866.4）公开了一种锂硫电池正极极片的制备方法。该方法是在金属薄片集流体上沉积碳膜的同时气相掺入硫。虽然该发明制备的电极中不含有导电性差的粘结剂，但由于其应用的设备价格昂贵，且制备过程不易控制，因而限制了其发展。

中国专利（申请号200710122444.2）公开了一种锂硫电池正极极片的制备方法。该发明以明胶作为粘结剂，降低了电解液对极片的浸润阻力。但仍不能改善电极做厚后电荷及锂离子的转移电阻。

综上，改进正极极片的结构，制备大孔径的碳硫复合物层与小孔径的碳硫复合物层复合的梯度电极，不仅能改善正极极片中的电荷及锂离子的转移电阻。提高活性物质的放电容量，提高电池的能量密度；而且梯度电极的孔结构特征能有效抑制多硫化物的穿梭，提高锂硫电池的循环稳定性。因此，改进电极的结构对提高电池的能量密度是有效的，但现有锂硫电池正极无论是在产品的制备方法上还是在商用价值方面均有须改进之处。

本发明针对上述缺点，提供一种新型的锂硫电池正极结构,该电极结构为梯度电极，包括两个部分，一层为集流体上的大孔径的碳硫复合物层，一层为小孔径的碳硫复合物层。其用作锂硫电池正极材料时，在活性物质的担量为4.2mg-S/cm²条件下,其首次放电容量1100mAh/g-S,循环20次，放电容量保持率大于80%。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的锂硫电池正极结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：制备梯度电极，包括两个部分，一层为集流体上的大孔径的碳硫复合物层，一层为小孔径的碳硫复合物层。大孔径的碳硫复合物层有利于锂离子的传输及容纳在放电过程中多硫化物引起的体积膨胀，提高电池的放电倍率；小孔径的碳硫复合物层有利于提高活性物质的利用率，提高放电容量，并且可以有效的抑制多硫化锂的“穿梭效应”，提高电池的循环稳定性及库伦效率。这种结构的正极有利于高担量的活性物质容量的发挥，提高电池的能量密度。将这种结构应用于锂硫电池，有利于减小电池的传质极化，提高电池的放电倍率及循环稳定性。

一种锂硫电池正极结构，其特征在于，该极片为梯度电极，包括两个部分，一层为集流体上的大孔径的碳硫复合物层，一层为小孔径的碳硫复合物层。所述的碳硫复合物层为含硫量为10~95%的碳硫复合物、导电剂与粘结剂的混合物，其中碳硫复合物、导电剂与粘结剂的质量比为1：（0~1）：（0.01~0.5）；