[发明专利]一种聚合物锂硫电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于聚合物锂硫电池制造技术领域，尤其涉及一种新型聚合物电池及其应用。

背景技术

人类现代生活离不开可移动的化学电源，锂离子电池由于具有环境友好、工作电压高、比容量大和循环寿命长等优点而广泛应用于各类小型便携式装置中，成为当今世界极具发展潜力的新型绿色化学电源。然而，随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更高的需求：更轻、更薄、更小、更持久；因此作为这些移动电源的供电单元，对锂离子电池的要求也相应增加。然而传统形式的锂离子电池已经难以满足人们对于化学电源的各项要求，高能量密度的下一代锂离子电池正处于广泛开发的热潮当中，锂硫电池做为被产业界及学术界看好的新一代锂离子电池逐渐被人们所青睐。但锂硫电池在开发过程中所曝露出来的诸多问题也急需解决：比如，硫做为正极活性物质其较低的电子电导率、循环过程中中间产物多硫化物的溶解、另外，硫电极在嵌脱锂过程中的体积变化都是制约锂硫电池发展的主要原因。

近些年来，为了解决上述问题，人们制备多维度、多尺度的新型碳材料与硫进行匹配。虽然新型碳硫复合材料能够有效提高硫的电子电导率，并在一定程度上抑制多硫化物的溶解，但纳米级新型碳材料制备工艺复杂，且降低了整体硫电极的能量密度。因此，其它提高锂硫电池性能的方法在逐渐开发当中。Wang[ChemElectroChem,2015,2(1):22-36.]等人认为在锂硫电池中采用聚合物电解质能够有效抑制多硫化物溶解，从而减少循环过程中的硫损失以及多硫化物溶解之后在负极表面反复生成的硫化锂等物质。但传统锂电池普遍使用的聚合物电解质其电导率低、制备工艺复杂以及在与硫电极匹配时较差的界面相容问题都成为聚合物锂硫电池开发中的技术难点。

采用原位聚合的方法将电解质与电极进行匹配能够有效降低电池内部界面阻抗问题，但电导率低仍然是聚合物电解质在锂硫电池中应用的主要问题。因此，如何在提高聚合物电解质的电导率同时兼顾界面相容问题，开发出性能稳定、高功率密度、高能量密度的聚合物锂硫电池，是锂硫电池领域内的重要课题，也是目前锂硫电池商业化发展亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种性能稳定、高功率密度、高能量密度的聚合物锂硫电池。

一种聚合物锂硫电池，包括：

正极：硫基活性物质、导电剂、粘结剂；

负极：活性物质、导电剂、粘结剂；

电解质：采用聚合物电解质，包括固体溶剂和液体溶剂组合、锂盐、交联单体和引发剂；

所述交联单体包括如下结构：

其中R₁、R₂为碳原子数1-20的直链烷基链、含有醚氧键的直链烷基链、含有侧基的烷基链和含有单苯环的链段的其中一种，其中n≥2。该交联单体采购于杜邦公司。

优选地，所述聚合物电解质其特征在于，按重量百分比，所述交联单体为0.5-20％；所述引发剂为0.001-5％；所述锂盐为1-20％，余量为固/液溶剂。

优选地，所述正极中，按重量百分比，硫基活性物质占整个正极极片的70-99％；导电剂占整个正极极片的0.5-20％；粘结剂占整个正极极片的0.5-20％。

优选地，所述负极中，按重量百分比，活性物质占整个负极极片的70-100％；导电剂占整个负极极片的0.5-20％；导电剂占整个负极极片的0.5-20％；

优选地，所述正极中，所述正极硫基活性物质为单质硫、多硫化合物(Li₂S_n)、有机硫化物及硫碳复合材料中的至少一种；导电剂采用乙炔黑、导电炭黑、科琴黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管中的至少一种；粘结剂采用聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚烯烃、聚氨酯、丁苯橡胶、丙烯腈多元共聚物中的至少一种。

优选地，所述负极中的活性物质采用金属锂，或嵌锂复合物、金属锂或预锂化石墨、嵌锂硅碳复合材料、嵌锂锡碳复合材料中的至少一种；导电剂采用乙炔黑、导电炭黑、科琴黑、导电石墨、石墨烯、碳纳米管中的至少一种。

优选地，所述固/液溶剂为固体溶剂和液体溶剂的混合物；所述液体溶剂采用碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、四氢呋喃、乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚和1，3-二氧戊环中的至少一种；所述固体溶剂：碳酸乙烯酯、碳酸二苯酯、二碳酸二叔丁酯、丙二腈、丁二腈、十八烷腈和间苯二甲腈中的至少一种。