[发明专利]一种用于锂硫电池的多孔硫正极、其制备方法及锂硫电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学电池领域，涉及一种锂硫电池，具体涉及一种用于锂硫电池的多孔硫正极、其制备方法及锂硫电池。

背景技术

      从便携的电子产品如iphone手机到以动力和储能为代表的航天飞行器、电动汽车、智能电网和储能电站的飞速发展，高效储能器件近年来受到各国的重视，对储能电源特别是锂电池，提出了更高的要求：质量轻、体积小、能量密度高、安全性好、长循环寿命等。

目前商品化的锂电池正极材料主要是层状的或者尖晶石状的锂过渡金属氧化物，如LiCoCO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等。这些材料具有工作电压高、自放电率低等优点，但是重量能量密度不够高，目前限制在200-250Wh/Kg，不能满足社会对高能量密度的要求。虽然通过改进现有材料和电池制备工艺还可以在一定程度上提高电池的性能，但是若要显著的提高电池的能量密度，就必须对新材料和新体系进行开发。

以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫电池是一种很有发展潜力的高能量密度的新体系电池。作为未来空间任务的能源，美国航天局（NASA）2014年选出4个先进能源存储技术的提案，其中3个提案将锂硫电池选为未来先进能源的存储装置。

锂硫电池发生的电化学总反应为：                                                。按照最终还原反应产物Li₂S计算，单质硫的理论比容量是1672mAh/g，金属锂具有理论比容量3860mAh/g，Li/S氧化还原对的理论能量密度高达2600Wh/kg。此外，硫元素还具备资源丰富、价格低廉、无毒或低毒的特点。

      但是锂硫电池的发展也存在很多问题，首先是由于单质硫的电子导电率极低，因此需要添加大量高导电相的导电剂提高活性物质硫的活性。其次，单质硫亲液性能差，需要的电解液量大。此外，锂硫电池来说，单质硫还原生成Li₂S 的过程是一个多步反应，其中间产物多硫化锂易溶于有机液态电解液，造成正极结构不稳定。以上问题导致了电极活性物质利用率低、电池循环性能差和实际的锂硫电池能量密度不高。因此，如何改善材料的导电性，并解决硫电极结构不稳定易坍塌、电极吸液性差、充放电中间产物溶解流失等问题，提高电池的循环性能是锂硫电池硫正极研究的重点。

      目前锂硫电池研究的重点集中在正极复合材料的制备上，将硫材料与具有良好吸附性能和导电性的材料组成复合材料，常用的具有吸附性的碳材料有有序或无序介孔碳、微孔碳、大孔碳和分级孔结构的碳材料。然后采用加热熔融或汽化的方式、液相复合法或化学反应法得到硫碳复合材料（参见Nat. Mater., 2009, 8: 500；CN 101587951A；CN101728538A；CN101567437A；CN 101562244A）。上述材料的制备几乎都是利用碳材料的导电性、多孔性和吸附性最终将单质硫吸附在碳材料表面或者进入碳孔道内，以达到构建相对稳定的正极骨架、提高材料吸液性、吸附放电产物的目的。

不难发现，上述的研究思路都集中在硫碳材料的制备上，然而，通过对极片做进一步的处理，提高整个硫正极孔率最终达到提高吸液性、稳定电极结构、吸附中间产物多硫化锂的研究报道却极少。

发明内容

       本发明的目的主要是针对锂硫电池特殊的反应机理造成活性物质易溶解于电解液中而脱离硫正极的骨架结构而造成硫的利用率不高和循环稳定性差的缺点，提供一种导电性好、比容量高、循环稳定性好的具有多孔隙、吸液性良好的多孔硫正极及其制备方法。

为达到上述目的，本发明提供了一种用于高比能量锂硫电池多孔硫正极的制备方法，该方法包含以下具体步骤：

步骤1，将单质硫、导电剂和粘结剂以（70～90）：（20～2）：（10～8）的比例混合，制备正极极片；

步骤2，通过快速加热升华或物理溶解的方法除去正极极片表面的单质硫，从而获得多孔硫正极。

上述的制备方法，其中，所述单质硫选择升华硫、结晶硫、无晶形硫、胶体硫及其他形态的单质硫中的任意一种。

上述的制备方法，其中，所述导电剂选择乙炔黑、活性碳、有序或无序介孔碳、碳纳米管、导电碳纤维、碳气凝胶、石墨烯、KS6或SP中的任意一种或几种。

上述的制备方法，其中，所述的导电剂经预处理，其中，所述预处理是指将导电剂置于120℃的真空烘箱里干燥24h。