[发明专利]一种锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池，属于电化学技术领域。

背景技术

随着社会的发展，手机、便携式电脑、电动车、数码相机、I-pad等便携式电子产品充斥着人们的生活。其中锂电池作为主要的储能器件，已经在小型设备中占据主导地位，但是，随着人们对便携式生活要求的提高，传统锂电池已经不能满足人类的需求。因而，具有高比能、高安全性、高使用寿命及低成本的下一代锂电池被寄予厚望。

正极是提高电池比能量的关键。硫正极具有1675mAh/g的理论比容量和2600Wh/Kg的能量密度，是目前商用过渡金属氧化物正极理论比容量和比能量的十倍，并且硫在自然界中含量丰富、价格低廉、对环境安全友好，因此硫正极成为最具有发展前景的锂电池的正极材料之一。

虽然硫正极具有诸多优点，但是活性物质利用率低、循环性能差、库伦效率低等缺陷成为限制其广泛应用的重要因素。其中硫的低电导率是其活性物质利用率低的主要原因。同时，在放电过程中，电池反应中间产物多硫化锂会溶解在醚类电解液中，之后多硫化锂在电解液中迁移，穿透隔膜到达锂负极并与其发生反应，生成不溶且绝缘的简单硫化锂（Li₂S或Li₂S₂），这一副反应的发生大大降低了电池活性物质利用率，然后，在电池充电过程中，一部分简单硫化锂会被锂还原成多硫化锂再次溶解于电解液向电池正极移动，而此时多硫化锂与锂之间的氧化反应也同时发生，这一过程称之为穿梭效应。同时，由于简单硫化锂在电解液中的不可溶性，进而造成电池容量的衰减，因此，穿梭效应也是库伦效率低、电池循环性能差的主要原因。

科研工作者们采用不同方法降低电池充放电过程中的穿梭效应，进而改善电池性能。通过采用各种碳材料，如采用碳纳米管、石墨烯、介孔碳存储硫，将硫限制在碳材料的孔道中或者利用碳材料高的比表面积限制多硫化锂的溶解，以利于抑制穿梭效应和提高电池性能；采用聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等导电高分子作为硫的存储体，不仅能限制多硫化锂的溶解，导电聚合物本身的活性也能提高电池的性能；电解液中添加LiNO₃，该添加剂能够促进锂负极表面钝化膜的生成，阻止电解液中多硫化锂与锂负极的直接接触，进而提高电池性能；同时，采用纳米氧化物作为吸附剂，能够明显吸附多硫化锂，进而降低穿梭效应对电池性能的影响。

上述措施都是从电池电极结构内部着手，虽能在一定程度上降低穿梭效应对电池性能的影响，但是，所使用材料制备复杂、成本较高，不便于大规模生产；而关于电解液的改善则仅仅能提高电池库伦效率，却不能避免多硫化锂在电解液中的溶解，因此对电池循环性能改善不大。

发明内容

针对现有技术所存在的上述问题，本发明旨在提供一种不仅可以减小穿梭效应对电池性能的影响，而且可以拥有良好循环性能和倍率性能的锂硫电池。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池，包括硫正极、隔膜、电解液和金属锂负极，其特征在于：在硫正极与隔膜间设有由导电高分子纳米材料形成的阻挡层，所述阻挡层的厚度为5nm～10μm。

作为一种优选方案，所述阻挡层的厚度为50nm～5μm。

作为一种优选方案，所述的导电高分子纳米材料为纳米纤维、纳米管或纳米薄膜。

作为进一步优选方案，所述的导电高分子选用聚吡咯、聚苯胺、聚丙烯腈、聚噻吩、聚乙炔或聚3,4-乙撑二氧噻吩。

所述阻挡层可通过浸渍氧化法、共沉淀法、电化学沉积法、化学气相沉积法、物理浸渍法、物理气相沉积法、等离子喷涂法、等离子溅射法、双层流延法等已知技术集成在组成硫正极的硫碳复合材料层的表面，推荐采用浸渍氧化法使其原位生长在组成硫正极的硫碳复合材料层的表面。

所述的浸渍氧化法包括如下操作：

a)先将硫正极置于0.05～2mol/L的导电高分子水溶液中浸泡5～15秒，然后取出置于0.05～4mol/L的氧化剂水溶液中再浸泡5～15秒；循环操作1～10次；

b)对处理后的硫正极进行清洗、干燥；

c)去除生长在组成硫正极的集流体表面的阻挡层。

所述的氧化剂优选为三氯化铁或过硫酸铵。

所述阻挡层还可以通过下述方法单独制备：

i)将导电高分子纳米材料分散于溶剂中，使形成浓度为0.2～2g/L的分散液；

ii)对制备的分散液进行抽滤、洗涤、干燥。

所述溶剂包括水、乙醇、丙酮、三氯甲烷、四氢呋喃中的至少一种。