[发明专利]一种锂硫二次电池

说明书

发明领域

本发明涉及一种锂硫二次电池，尤其涉及一种具有石墨烯或氧化石墨烯中间层的锂硫二次电池，属于电化学技术领域。

背景技术

随着现代的电子工业发展和人们对电子设备性能要求的不断提高，现代社会对于储能设备的能量密度要求也水涨船高。另一方面，逐渐利用清洁能源替代传统化石能源的呼声也使高性能电池设备受到越来越多的关注。

锂硫电池作为一类典型的高能量密度电化学系统，在近年来受到学界和产业界的广泛关注。硫是一种具有高理论比容量的正极材料，理论容量可达1672mAh/g，与锂负极组成的电池系统理论能量密度可达2600Wh/kg。并且具有廉价、无毒等众多优点。但锂硫电池对在充放电过程中产生的中间产物(多硫化物)易在电解液中溶解、扩散，分别在正负极材料表面发生氧化、还原副反应，该过程一方面降低了锂硫电池的循环效率，另一方面也大大提高了活性硫材料的损失，导致锂硫电池性能的快速衰减。如何解决这一在锂硫电池中长期存在的“迁移效应”，进一步提高锂硫电池的循环稳定性，对推动其实用化进程具有重大的价值。

目前，基于锂硫电池的大量研究集中于正极材料，主要的手段包括进行正极硫/碳复合材料的结构设计和制备，通过改善导电性和孔径分布，改善正极硫材料的利用率并试图对多硫化物的溶解扩散进行一定程度的抑制。例如：Nazar等通过硫与介孔碳的复合，利用介孔孔道限制多硫化物的迁移，获得了较高性能的电极材料(Ji XL,et al.Nat Mater.2009；8:500)；王久林等通过将硫与聚丙烯腈复合实现了对硫的部分固化，从而提高了电极的循环稳定性等性能(Wang JL,et al.Adv Mater.2002；14:963；王久林、杨军和解晶莹等公开号：CN1384556)。尽管通过正极材料结构设计以及高分子复合等方式可部分抑制多硫化物的生成和扩散，但其具体循环性能距实用化仍相去甚远。

近期，有其他研究者着眼于负极和隔膜等系统的研究，希望通过抑制“迁移效应”来提高电池系统的稳定性，例如：Zhang等通过在电解液中添加硝酸锂添加剂在负极表面形成惰性保护层(Zhang SS.Electrochimica Acta.2012；70:344)，Ji等在正极材料中添加硅分子筛类吸附剂抑制多硫化物向负极扩散等(Ji XL,et al.Nat Comm.2011；2:325)。Manthiram等采用微孔碳纸等作为中间层来提高正极利用率并提高电池的倍率性能(Su YS,et al.Nat Comm.2012；3:1166)。这些尝试一定程度上抑制了多硫化物的扩散，但其稳定性或容量特性仍不佳。若能利用锂硫电池本身的结构，开发一种具有锂离子选择透过性的隔膜或中间层系统，则有望大幅提高电池的循环稳定性，从而进一步促进锂硫二次电池的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有新型结构的锂硫二次电池，以实现对多硫化物的选择性阻挡及限制，抑制多硫化物在正负极间的穿梭反应，从而大幅提高锂硫电池的循环稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种锂硫二次电池，含有正极、负极、隔膜和中间层，所述隔膜和中间层位于正极和负极之间，其特征在于，所述的中间层为石墨烯层或氧化石墨烯层。

所述石墨烯层或氧化石墨烯层的厚度优选在0.0008-1000微米之间。所述中间层的氧含量在0-70％之间。

本发明的另一技术特征在于，所述的石墨烯层或氧化石墨烯层单独构成中间层，或附着在骨架上形成复合中间层。

本发明的技术特征还在于，所述的石墨烯层或氧化石墨烯层附着于正极或负极表面，或附着在隔膜的正极侧或负极侧，或独立存在于隔膜与正极或隔膜与负极之间。

本发明相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：本发明利用石墨烯或氧化石墨烯中间层实现离子选择性功能，克服了原有锂硫电池中多硫化物在正负极间扩散带来的充放电效率较低以及电池性能稳定性较差的缺点。利用石墨烯或氧化石墨烯材料的典型二维结构和超高比表面积，该中间层可抑制对多硫化物扩散导致的副反应；另一方面，利用石墨烯或氧化石墨烯材料的可调表面特性，可利用官能团调变材料对多硫化物的结合和阻挡能力，有望为抑制多硫化物迁移等锂硫电池技术障碍提供新的解决方案，通过配合高容量正极材料使用，将有助于推进锂硫二次电池硫的实用化。

附图说明

图1为本发明提供的一种锂硫二次电池其中一个实施例的结构示意图。

图中：1-正极；2-中间层；3-隔膜；4-负极。

具体实施方式