[发明专利]一种锂硫电池用一体化电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域，特别涉及一种锂硫电池电极及其制备方法。

背景技术

随着化石能源日益紧缺、环境问题日趋严重，开发新的能源储存及转换技术已成为世界能源战略重点。其中，锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。

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。正极活性物质硫室温为绝缘体，离子导电性差，电化学过程易形成溶于电解液的多硫化锂而使活性物质流失，在充放电过程中电极表面易形成较厚的二硫化锂和硫化锂绝缘层，并且充放电过程中硫发生体积膨胀和收缩使电极材料结构发生变化，另外，电池在发生自放电过程中，穿梭至锂负极的多硫化锂与锂片发生化学反应，使锂片发生腐蚀。综上，锂硫电池电极材料容量发挥低、循环稳定性差，如何克服这些缺点是单质硫应用的关键。

目前，为了提高单质硫的利用率，传统的锂硫电池正极通常是将含有活性物质硫的碳硫复合物与导电剂及粘结剂混合形成浆料后，刮涂至铝箔上，利用碳硫复合物中的碳及导电剂传递电子，铝箔收集电流。虽然该电极制备简单，但存在一些问题：1.碳硫复合物与集流体之间仅是靠粘结剂粘在一起，二者之间的接触电阻无法避免；2.额外添加导电剂，增加了正极中碳的含量，相当于降低了单质硫的含量，从而降低了电池的能量密度；3.添加的粘结剂均为高分子的有机物，价格昂贵，且这些有机物在电池运行过程中易发生分解或溶解到电解液中，影响电池的循环稳定性。

为了改善一般电极结构的上述问题，本发明提供一种新的一体化电极。其以集流体为基底，利用分步化学法将碳硫复合物原位担载在集流体上，与集流体结合为一体而成复合电极。其中一体化电极的制备方法为：在集流体的孔隙中浸渍导电碳的前驱体，经高温热解后形成碳包覆的集流体，然后，通过“硫化”处理过程，形成碳硫复合物与集流体一体的复合电极。该一体化电极工艺上简单，容易实现。通过该方法制备的电极能够明显降低集流体与碳硫复合物间的接触电阻，提高活性物质硫的利用率，不需要额外添加导电剂，降低了电极的质量，提高了电池的能量密度，而且该一体化电极不需要添加任何粘结剂，避免了由于粘结剂的稳定性带来的电池循环稳定差的问题，节省了成本，具有重要的商业价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池用一体化电极及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：为克服传统电极中存在的问题，该一体化电极以集流体为基底，利用分步化学法将碳硫复合物原位担载在集流体上，与集流体结合为一体而成复合电极。其中一体化电极的制备方法为：在集流体的孔隙中浸渍导电碳的前驱体，经高温热解后形成碳包覆的集流体，然后，通过“硫化”处理过程，形成碳硫复合物与集流体一体的复合电极。该一体化电极工艺上简单，容易实现。通过该方法制备的电极能够明显降低集流体与碳硫复合物间的接触电阻，提高活性物质硫的利用率，不需要额外添加导电剂，降低了电极的质量，提高了电池的能量密度，而且该一体化电极不需要添加任何粘结剂，避免了由于粘结剂的稳定性带来的电池循环稳定差的问题，节省了成本，具有重要的商业价值。

一种用于锂硫电池的一体化电极：包括集流体、生长于集流体上的导电碳材料及填充于碳材料孔结构中的活性物质硫，其中单质硫占碳硫复合物的质量百分比为10％～95％，单质硫在集流体上的担量为0.1～5mg/cm²。

一种用于锂硫电池的一体化电极的制备方法为以集流体为基底，利用化学还原法将碳硫复合物原位担载在集流体上，与集流体结合为一体而成复合电极。

其具体的制备方法包括以下过程：

(1).将导电碳材料前驱体均匀分散于溶剂中，形成浆料A，其中浆料A的浓度范围为5～90wt.％；

(2).将浆料A制备到集流体上，挥发溶剂后，导电碳材料前驱体于集流体上的质量分数为10％-70％；

(3).将制备有导电碳材料前驱体的集流体转移到通有惰性气体的高温炉中进行碳化处理，得到极片B，处理温度范围为600～1100℃；

(4).将极片B进行充硫处理后，得到一体化电极。

其中形成浆料A的过程进一步包括：在导电碳的前驱体分散于溶剂中后，可向混合液中添加碳纳米管或纳米纤维，使其发挥导电碳与集流体间的支架作用。