[发明专利]一种高倍率性能锂硫电池的复合正极材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高倍率性能锂硫电池的复合正极材料及制备方法。

背景技术

当前，以Li₂CoO₂、LiFePO₄等为正极材料的锂离子二次电池已得到了十分广泛的应用。但是，受限于这些正极材料理论比能量，现有锂离子电池体系难以满足未来便携式电子器件和移动交通等领域对电源轻量化、小型化、低成本和无毒性的需求。高能量密度的锂二次电池的研发已引起了越来越多的关注，其中尤以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫二次电池体系为著，关于该体系的研发已成为近十年来的研究热点。

单硫正极材料按电化学反应S₈+16Li→8Li₂S计其比容量高达1675mAh·g^-1，是已知固体正极材料中能量密度最高的，且硫单质储量丰富、价格低廉、安全低毒，因而具有十分广阔的应用前景。但是，硫单质是典型的电子绝缘体(5×10^-30S·cm^-1，25℃)，电化学活性差；放电最终产物Li₂S与放电初始状态相比体积膨胀达87％，导致硫正极在充放电循环中结构松散乃至被破坏；硫电极在一定充电程度形成的锂多硫化物Li₂S_n(n＝6～8)易溶于电解液，并扩散至锂电极与其发生自放电反应生成锂多硫化物Li₂S_n(n＝3～4)，导致锂腐蚀。同时Li₂S_n(n＝3～4)又扩散回硫电极被氧化成Li₂S_n(n＝6～8)后再扩散至锂电极表面，即发生“穿梭效应”。多硫化物的溶解导致的穿梭效应是锂硫电池最关键的难题之一，显著降低了硫的利用率、比容量和循环性能，同时增加了电解液的粘度和离子的迁移阻力；随着放电过程的进行，导电性差的放电最终产物Li₂S和Li₂S₂会以固态膜的形式覆盖到正极活性材料的表面，从而阻碍电解质与电极活性材料间的电化学反应。

为了解决上述问题，人们提出了许多解决方法，主要是从改善碳材料、粘结剂、聚合物包覆、锂负极改性、正极材料添加剂等方面着手。

针对正极材料，在低放电倍率下提高锂硫电池的循环性能已经取得了很好的效果。中国专利CN102208645A公开了一种无定形碳包覆硫，中国专利CN101986443A公开了一种纳米空心碳管包覆硫，中国专利CN102709533A公开了一种石墨烯包覆硫，中国专利CN102315424A公开了一种硫/导电聚合物纳米管复合正极材料，所述的硫分散吸附于所述导电聚合物纳米管的管表面和管内，形成中空的纤维状结构。中国专利CN102074704A公开了一种二次锂硫电池正极粘合剂的制备方法。上述针对正极材料的专利主要是采用碳材料包覆、聚合物包覆或者纳米材料添加剂包覆硫等来提高锂硫电池循环性能。

但是，在高放电倍率下，保持高的初始容量并提高循环性能仍然没有得到很好的解决。这主要是因为随着放电倍率提高，电化学极化与浓差极化程度将会严重影响电极的效率，因此，在高倍率放电下的锂硫电池正极材料不仅需要能够提供锂离子的快速迁入脱出通道，同时还能够抑制多硫化物通过此通道的溶解损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种应用于高倍率性能锂硫电池的复合正极材料及制备方法，保证锂离子在介孔碳孔洞处的高效迁入迁出，同时有效地抑制多硫化物在充放电过程中的从介孔碳介孔处溢出，降低穿梭效应带来的不利影响，从而显著提高了锂硫电池倍率性能与循环性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种高倍率性能锂硫电池的复合正极材料，由导电剂、电化学活性物质以及修饰剂组成，所述导电剂为介孔碳材料，电化学活性物质分散于介孔碳材料的孔洞中，修饰剂通过化学键合的方式与介孔碳材料的孔口相连接以调节孔口的性质。

按上述方案，所述高倍率性能锂硫电池的复合正极材料中，各组成的用量按质量百分比计为：导电剂30～60wt％，电化学活性物质30～60wt％，修饰剂0.01～4wt％。