[发明专利]一种锂硫电池用电极正极及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于锂硫电池用电极材料领域，特别涉及一种锂硫电池电极正极。

背景技术

现如今世界环境污染、温室效应、能源危机等问题日益严重。具有高比能量的二次电池对于解决突出的能源和环境问题具有非常重要的意义。其中锂离子电池是二次电池中比能量最高的电池之一。然而在锂离子二次电池体系中，正极材料的比容量、循环性能都需要进一步优化。传统的正极材料如LiCoO₂/石墨和LiFePO₄/石墨体系的理论能量密度均约为400Wh/kg。由于其理论能量密度的限制，决定了即使对这些正极材料进行组成和工艺方面的改进也难以使锂离子电池在能量密度上取得突破性进展。因此，开发新的具有高能量密度、长循环寿命、成本低的储能材料势在必行。其中单质硫具有最高的理论放电比容量：1675mAh/g，并且以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫电池的理论能量密度可以达到2600Wh/kg，其理论能量密度是LiCoO₂/石墨和LiFePO₄/石墨体系的6倍多，远远大于现阶段所使用的商业化的二次电池。此外硫单质还具有成本低廉、环境友好等极具商业价值的优势。

然而，锂硫电池存在的循环性能较差的问题严重阻碍了其商业化进程。在电池循环过程中存在的容量快速衰减的问题主要是如下几个因素造成的：（1）锂硫电池在充放电过程中产生的中间产物多硫化锂（Li₂S_x，4≤x≤8）易溶于有机电解液，使正极上的活性物质逐渐减少，并且由于飞梭效应，溶解的多硫化锂能够穿过隔膜扩散到电池的负极锂片上，生成的Li₂S₂和Li₂S沉淀导电性差，从而造成了电池负极的腐蚀和电池内阻的增加。并且飞梭效应也会导致Li₂S₂和Li₂S沉积在正极表面，从而导致电极形貌的显著改变。进而导致容量的快速衰减。（2）在循环过程中，锂硫电池中硫电极的体积膨胀率高达80%，这可能会造成硫电极内部产生裂纹，这种裂纹的存在以及不导电的Li₂S₂和Li₂S在裂纹处的生成破坏了正极的整体性，最终导致容量的快速衰减。（3）PEO（聚氧化乙烯）和PVDF（聚偏氟乙烯）是最为常用的2种粘结剂，但是它们都存在着一些问题。PEO的粘结性较差，并且低温时导离子性较差。PVDF作为粘结剂易于分散在有机电解液中，尤其是在升高温度的情况下更为严重。这容易造成界面电阻的增加。特别是，这种粘结剂需要分散在高沸点的溶剂中，这样就造成了挥发困难，以至于电极的烘干过程中通常要在高于80℃的真空环境下烘干，这就容易导致活性物质硫的流失。

我们在生活中可知面粉的主要成分是碳水化合物和蛋白质，面粉在加入酵母之后，通过发酵作用，能够形成具有三维网状结构的食品。面粉是由蛋白质、碳水化合物、灰分等成分组成的，在发酵过程中，起主要作用的是蛋白质和碳水化合物。面粉中的蛋白质能吸水膨胀形成面筋质。这种面筋质能随面团发酵过程中二氧化碳气体的膨胀而膨胀，并能阻止二氧化碳气体的溢出，提高面团的保气能力，它是面包等制品形成膨胀、松软特点的重要条件。面粉中的碳水化合物大部分是以淀粉的形式存在的。淀粉中所含的淀粉酶在适宜的条件下，能将淀粉转化为麦芽糖，进而继续转化为葡萄糖供给酵母发酵所需要的能量。面团中淀粉的转化作用，对酵母的生长具有重要作用。酵母是一种生物膨胀剂，当面图加入酵母后，酵母即可吸收面团中的养分生长繁殖，并产生二氧化碳气体，使面团形成膨大、松软、蜂窝状的组织结构。如何仿效这种原理制备出新型的锂硫电池用电极材料，有效解决锂硫电池循环性差的问题。

发明内容

为了解决锂硫电池循环性差的问题，本发明选用明胶和淀粉的混合物作为电极粘结剂，酵母做造孔剂，这种粘结剂及其电极膜片的造孔方法能够解决锂硫电池在充放电过程中产生的中间产物多硫化锂（Li₂S_x，4≤x≤8）易溶于有机电解液，易发生飞梭效应，硫电极体积膨胀，单质硫导电子性和导离子性差的问题。因此，能够解决锂硫电池循环性较差的问题。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用电极正极，包括碳硫复合物、粘结剂、造孔剂，所述粘结剂为明胶和淀粉的混合物，明胶和淀粉的质量比为（1～80）:（20～99），造孔剂为酵母，碳硫复合物和粘结剂的质量比为8～9.5:0.5～2，酵母与明胶和淀粉混合物的质量比为1～10:90～99。