[发明专利]锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池，具体涉及一种锂硫电池用正极材料及其制备方法。

背景技术

二次锂离子电池（简称‘锂离子电池’）是继镍氢电池之后的最新一代可充电电池，以其电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长等优点，成为目前综合性能最好的电池体系。虽然锂离子电池是目前综合性能最好的能源供应体系，但仍存在着诸多缺点和亟待改进和提升的方面。传统的锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳组成，而决定锂离子电池性能的主要因素则是电极材料。相比锂离子电池正极材料，其负极材料的发展仍较落后。因此寻找更大容量、更长稳定性能的正极材料成为目前锂离子电池亟待解决的重要问题。

锂硫二次电池是以含硫活性成分为正极、金属锂为负极构成的。按照最终还原产物Li2S计算，单质硫的理论比容量是1675 mAh/g，Li/S电池的最终理论能量密度高达2600 wh/kg，是传统过渡金属氧化物或磷酸盐类正极材料的6倍以上，因此是极具发展潜力的新型正极材料。虽然锂硫二次电池具有诸多优点，但仍存在亟待解决的问题，其广泛应用也受到限制。单质硫的导电性差，难以完成可逆的电化学反应；其次，在充放电过程中，生成的多硫化锂易脱出并溶于有机电解液，影响电池的循环性能。因此如何解决这些问题成为锂硫二次电池的研究重点。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种锂硫电池正极材料，其具有较大容量和优良循环性能，从而克服了现有技术中的不足。

本发明的另一目的在于提供一种制备前述锂硫电池正极材料的方法，其操作简单，能满足规模生产的要求。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种锂硫电池正极材料，包括硫/氧化石墨烯复合物，所述硫/氧化石墨烯复合物上包覆有功能化高分子层，所述功能化高分子层中所含的功能化高分子材料包括至少含有氨基、羧基和羟基中的任意一种的高分子材料。

进一步的，所述锂硫电池正极材料还可包括包覆在功能化高分子层上的粘结剂层，并且所述粘结剂层中所含的至少部分粘结剂与所述功能化高分子层中所含的至少部分功能化高分子材料交联结合。

作为较为优选的实施方案之一，所述硫/氧化石墨烯复合物所含硫粉与氧化石墨烯的质量比可控制于10: 1～1:20，但不限于此。

作为较为优选的实施方案之一，所述正极材料中所含硫粉与功能化高分子材料的质量比可控制于10:1～1:20，但不限于此。

所述粘结剂可选自但不限于海藻酸钠、壳聚糖、羟甲基纤维素钠或聚丙烯酸。

一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括：

（1）取硫粉与氧化石墨烯均匀混合，在温度为100～200℃的条件下水热反应3h以上，获得硫/氧化石墨烯复合物；

（2）将所述硫/氧化石墨烯复合物与功能化高分子材料和/或功能化高分子单体混合反应，获得功能化高分子材料包裹的硫/氧化石墨烯复合物；

（3）至少将所述功能化高分子材料包裹的硫/氧化石墨烯复合物与粘结剂混合，并至少使部分粘结剂与部分功能化高分子材料交联反应，获得锂硫电池正极材料。

作为可行的具体方案之一，步骤（2）可进一步包括：将所述硫/氧化石墨烯复合物均匀分散于水中，再加入功能化高分子材料和/或功能化高分子单体，经充分反应后，获得功能化高分子材料包裹的硫/氧化石墨烯复合物；其中，

所述高分子材料可选自但不限于聚多巴胺、聚吡咯、聚乙酸、聚丙酸或聚乙烯醇；

所述功能化高分子单体可选自但不限于多巴胺、左旋多巴胺、多巴胺正醌、去甲肾上腺素、屈昔多巴、吡咯、乙酸或丙酸。

作为可行的具体方案之一，步骤（2）还可包括：

向主要由硫/氧化石墨烯复合物与功能化高分子单体形成的混合反应体系中加入pH值调节试剂，使功能化高分子单体原位聚合，并在硫/氧化石墨烯复合物上形成功能化高分子层；

所述pH值调节试剂包括氨、三羟甲基氨基甲烷、碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物。

作为可行的具体方案之一，步骤（3）具体可包括：

至少将所述功能化高分子材料包裹的硫/氧化石墨烯复合物与粘结剂混合，并通过真空热固相反应，至少使部分粘结剂与部分功能化高分子材料在温度为60℃～200℃的条件下交联反应，获得锂硫电池正极材料。

作为较佳的具体应用之一，所述锂硫电池正极材料的制备方法可包括如下步骤：

（1）取硫粉与氧化石墨烯均匀混合，并在温度为100～200℃的条件下水热反应3～10h，清洗反应产物，获得硫/氧化石墨烯复合物；