[发明专利]一种锂硫电池用硫-碳复合正极材料及其制备方法

说明书

（一）        技术领域

本发明涉及一种高能量密度的锂二次电池用正极材料的制备方法，具体涉及一种锂硫电池用硫-碳复合正极材料及其制备方法。

（二）        背景技术

面对新能源技术的快速发展，尤其是手机通讯和电动汽车领域的潜在市场需求，发展具有更高能量密度的二次电池的任务十分迫切。其中，锂硫电池在能量密度方面具有非常明显的优势，与其他传统的电池体系相比，硫具有很高的理论比能量2800 Wh/kg，实际应用的锂硫电池的能量密度可能超过300 Wh/kg。除此之外，硫资源丰富，成本低廉，硫电极材料环境污染小，因此，锂硫电池是一种更廉价和环保的电池。另外，一般的锂离子电池过充电时正极易析出氧，会氧化电解液，因此存在安全隐患，而硫正极不含氧元素，不会出现此类问题。安全方面更具有优势。所以硫基复合材料是比较有应用前景的正极材料。

然而，锂硫电池至今仍面临着诸多尚待解决的技术难题。首先，单质硫在室温下是典型的电子和离子绝缘体（5×10^-30 S/cm，25 ℃），在实际应用时一般需要加入大量的导电剂，这很大程度上降低了电极整体的比容量。其次，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中，造成活性物质大量流失，还会导致电解液粘度变大，离子迁移速率下降，这些都会加速电极容量的衰减。此外，部分溶解的多硫化锂扩散至负极还会与锂发生自放电反应，造成“穿梭效应”，从而使电池充放电效率降低。最后，电池的最终产物Li₂S是不导电的，在充放电过程中不断地沉积在硫电极的表面，造成了材料的团聚，阻碍了离子迁移和电荷传输，破坏了电极结构，降低了电池的电化学性能。

为了解决以上问题，近几年中，研究人员主要从提高硫电极的电子导电性和抑制多硫化物的溶解两方面着手。目前主要是采用包覆导电碳材料、导电聚合物等提高材料的电子和离子传导能力（Ryu H S, Park J W, Park J, J. Mater. Chemistry A. 2013, 1,1573；Miao L X, Wang W K, Wang A B, J. Mater. Chemistry A. 2013, 1,11659；Huang J Q, Zhang Q, Peng H J, Energy Environ. Sci. 2014,7,347；Chen S Q, Huang X D, Liu H, Advanced Energy Materials.2014, DOI:10.1002/aenm.201301761；   Xie J, Yang J, Zhou X Y, J. Power Sources. 2014, 253,55；Zhou W D, Yu Y C, Chen H, Journal of the American Chemical Society, 2013, 135 (44): 16736-16743.）。通过修饰电解液如向电解液中添加入添加剂等或者制备复杂的核壳结构等手段来抑制多硫化物的溶解（Wang W K, Wang Y, Huang Y Q, J. Applied Electrochemistry, 2009, 40, 321；Zhang S, Energies, 2012, 5, 5190；Suo L M, Hu Y S, Li H, Nature Communications, 2013, 4, 1481；Jeddi K, Sarikhani K, Qazvini N T, J. Power Sources, 2014, 245,656；Wang L N, Byon H R, J. Power Sources, 2013, 236, 207.）。总之，这些改进手段在一定程度上提高了硫的利用率，但未能从根本上解决多硫化物溶解穿梭问题，锂硫电池的性能仍有待进一步提高。

基于上述分析，本发明的目的是克服目前锂硫电池现存的不足，一方面采用具有较高的比表面积、优良的导电性以及较强的介孔/微孔吸附能力的微孔碳、石墨烯或者氧化石墨烯作为导电剂，来提高材料的导电性；另一方面采用高浓度的锂盐电解液来抑制多硫化物的溶解，以期提高锂硫电池的放电容量、循环寿命及倍率性能。

（三）        发明内容