[发明专利]一种锂硫电池电极及含有该电极的锂硫电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂硫电池领域，尤其涉及一种锂硫电池电极、含有该电极的锂硫电池及其制备方法。

背景技术

自从1991年，碳材料创造性的运用于锂离子电池领域，并带来该领域革命性的变化，即高效而安全的进行多次充放电后，其便被广泛的运用于移动电话、摄像机、笔记本电脑以及其他便携式电器上。与传统的铅酸、Ni-Cd、MH-Ni电池相比，锂离子电池具有更高的比体积能量密度、比重量能量密度、更好的环境友好性、更小的自放电以及更长的循环寿命等，是二十一世纪理想的移动电器电源、电动汽车电源以及储电站用储电器。

然而随着生活品味的提高，人们对移动用电器提出了更轻、更薄、更小、更持久、价格更低的新需求，相应的便对这些设备的供电器件提出了新的要求；能量密度更高、价格便宜；这其中供电器件(电池)能量密度与用户体验息息相关，备受广大消费者的关注，而现阶段提高电池能量密度的方法主要集中在开发新的正/负极材料，开发新型的正极材料对电池能量密度提升效果尤为显著。

目前商品化的正极材料主要是层状或尖晶石结构的锂过渡金属氧化物(如钴酸锂、锰酸锂)和橄榄石结构的磷酸铁锂等。钴酸锂(LiCoO₂)的理论容量相对较大(275mAh/g)，但实际放电容量仅160mAh/g左右，且其价格高，有一定毒性，而且该正极材料在过充时易发生放热分解反应，不仅使电池容量明显下降，同时对电池安全也造成威胁。锰酸锂(LiMn₂O₄)的理论容量为148mAh/g，实际容量低于130mAh/g，且其压实密度不高，能量密度低，稳定性差，在充放电过程中容易引起晶格变形，导致循环效率偏低。磷酸铁锂(LiFePO₄)的理论容量为172mAh/g，但该正极材料压实密度低，制备出来的电芯能量密度相应较小。上述常用锂离子电池正极材料容量普遍不高，同时也均存在一些问题，不能满足电池开发需求。

单质硫的理论比容量为1675mAh/g，远远高于目前商业使用的正极材料的理论必容量，成为当前电池发展的主要趋势。但是在充放电过程中，单质硫会转化为多硫化物，而多硫化物会溶于液体有机电解液中，导致在循环过程中活性物质的损失，更为严重的是，溶解的硫化物将在负极析出形成枝晶，具有极大的刺穿隔离膜的风险，从而导致电池的安全性极差。

针对锂硫电池正极在充放电过程中形成的锂硫化物溶解问题，确有必要开发一种新的锂硫电池电极，用以解决锂硫电池正极放电后形成的锂硫化物溶解扩散问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种锂硫电池电极：由集流体与涂敷层组成，所述涂敷层具有n层结构，由集流体一侧向涂敷层表面分别为第1层、第2层……第n层，n为整数且n≥2；每层涂层中硫含量分别为a1％，a2％……an％，且a1≥a2≥……≥an。由于越靠近电极表层，硫含量越低，嵌锂后形成的锂硫化物含量相应越低，非硫组份物质对硫化物的固定作用将越强，因此锂硫化物移动到负极一侧去的难度越大，从而解决达到解决锂硫化物溶解于电解液中并扩散到负极一侧的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂硫电池电极，由集流体与涂敷层组成，所述涂敷层具有n层结构，由集流体一侧向涂敷层表面分别为第1层、第2层……第n层，n为整数且n≥2；每层涂层中硫含量分别为a1％，a2％……an％，且a1≥a2≥……≥an；所述涂敷层中第i层的厚度为hi，则hi≥1μm，且最表层涂敷层中，形成的多孔涂层的孔直径(或等效直径)不超过10μm。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，99.5％≥a1％>a2％>……>an％≥0％；400μm≥hi≥2μm，且最表层涂敷层中，形成的多孔涂层的孔直径(或等效直径)不超过4μm。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述涂敷层中硫为单质硫或/和硫化物。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述涂敷层中还含有导电组分(如导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯等)、粘接组分(如PVDF、SBR、CMC等)，以及除硫之外的其他正极活性物质；且上述组分在电极的各层涂层中的质量比例为0.5％-100％。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述涂敷层中含有的其他正极活性物质包括锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂铁氧化物、锂钒氧化物、三元或多元复合化合物和聚阴离子正极材料(如LiMnPO₄、聚阴离子型正硅酸盐等)中的至少一种。