[发明专利]一种锂硫电池膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于锂硫电池技术领域，特别涉及一种锂硫电池膜电极的制备方法。

背景技术

传统锂离子电池使用石墨作为负极材料。石墨导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入与脱嵌。而且它的嵌锂电位低且平坦，为锂离子电池提供高的平稳工作电压，大致为：0.00～0.20V之间(vs.Li⁺/Li)，其理论容量为372mAh g^-1(形成LiC₆)。金属铝可以和Li形成高达Li₉Al₄的合金，对比石墨和Li_4.4Sn(994mAh g^-1)具有很高的理论比容量(2234mAh g^-1)。在锂嵌入和脱出的过程中，铝负极的放电和充电曲线分别在0.2和0.45V左右呈现出稳定的嵌、脱锂平台。

锂离子电池通常使用聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜作为隔膜。当高聚物熔体挤出时在拉伸应力下结晶，形成垂直于挤出方向而又平行排列的片晶结构，并经过热处理得到硬弹性材料。具有硬弹性的聚合物膜拉伸后片晶之间分离而形成狭缝状微孔，再经过热定型制得微孔膜。利用吹塑成型的聚丙烯薄膜经热处理得到硬弹性薄膜，先冷拉6％～30％，然后在120～150℃之间热拉伸80％～150％，再经过热定型即制得稳定性较高的微孔膜。

锂离子电池中的隔膜隔离正极和负极并阻止电池内电子通过，同时允许锂离子的通过，从而完成在电化学充放电过程中锂离子在正负极之间的快速传输。隔膜性能的优劣直接影响着电池的放电容量和循环使用寿命。目前锂电池隔膜的设计理念是形成微孔结构的薄膜，使锂离子能够通过薄膜中的微孔进行传输。通常膜的空隙率越高，锂离子的传导能力越强，但同时其力学性能就会受到影响。因此同时兼顾膜的空隙率和力学性能较为困难。

聚合物锂离子电池采用聚合物基质作为电解质膜的骨架材料，形成全固态锂离子电池。聚合物既是锂离子的传输通道，又起到正负极材料间的隔膜作用。聚环氧乙烯或聚环氧丙烯与碱金属盐的络合物为最为常见的固体电解质。但是这类电解质在室温下易于结晶，机械性能较差，且离子电导率远不如四氟硼酸锂、六氟磷酸锂、六氟砷酸锂烷基碳酸盐溶液构成的液体电解质。

锂硫电池是锂离子电池的一种，以硫元素作为电池的正极材料，具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点。锂硫电池的比容量高达1675mAh g^-1，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh g^-1)。并且，硫是一种环境友好元素，对环境基本没有污染。锂硫电池是一种非常有前景的锂离子电池。

传统锂硫电池以金属锂为负极材料，采用液体电解质，放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh g^-1，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh g^-1。锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li₂S)时。相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600Wh kg^-1。