[发明专利]一种吡咯表面处理的锂电极及其锂硫电池

说明书

技术领域

本发明是关于电池领域，涉及一种使用表面处理金属锂负极，改性锂离子传导高分子材料作为粘结剂的锂硫电池，特别涉及金属锂通过吡咯的四氢呋喃溶液表面处理，在金属锂表面形成吡咯锂的金属锂为负极,进而在锂硫电池充电过程中，负极表面形成聚吡咯锂保护层的锂硫电池。有效防止了锂硫电池充放电过程中产生的聚硫离子与金属锂反应，提高锂硫电池循环寿命。

背景技术

锂硫电池是锂离子电池的一种，以硫元素作为电池的正极材料，具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点。锂硫电池的比能量远高于商业上广泛应用的锂离子电池。并且，硫是一种环境友好元素，对环境基本没有污染。锂硫电池是一种非常有前景的锂离子电池。

锂硫电池以金属锂为负极材料，采用液体电解质，放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S^2-所能提供的电量可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh g^-1，单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh g^-1。硫与锂完全反应生成硫化锂(Li₂S)时，相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600Whkg^-1。微孔隔膜将硫正极和金属锂负极隔开形成传统的锂硫电池。

硫电极的充电和放电反应较复杂，其放电过程主要包括两个步骤，分别对应两个放电平台：(1)对应S₈的环状结构变为S_n^2-(3≤n≤7)离子的链状结构，并与Li⁺结合生成聚硫化锂(Li₂S_n)，该反应在放电曲线上对应2.4～2.1V附近的放电平台；(2)对应S_n^2-离子的链状结构变为S^2-和S₂^2-并与Li⁺结合生成Li₂S₂和Li₂S，该反应对应放电曲线中2.1～1.8V附近较长的放电平台，该平台是锂硫电池的主要放电区域。当放电时位于2.5～2.05V电位区间对应单质硫还原生成可溶的多硫化物及多硫化物的进一步还原，位于2.05～1.5V电位区间对应可溶的多硫化物还原生成硫化锂固态膜，它覆盖在导电碳基体表面。充电时，硫电极中Li₂S和Li₂S₂被氧化S₈和S_m^2-(6≤m≤7)，并不能完全氧化成S₈，该充电反应在充电曲线中对应2.5～2.4V附近的充电平台。目前锂硫电池最大的问题是：在充放电过程中形成溶于电解液的聚硫化锂，溶解的聚硫化锂与负极金属锂反应，引起容量损失，导致锂硫电池容量快速衰退，表现出极差的循环寿命。传统锂硫电池中添加电解液的量对锂硫电池的容量和循环寿命影响很大。添加的电解液越多，溶解的聚硫离子也越多，发生迁移的聚硫离子也越多，导致电池容量衰退速度加快。但是，电池中添加的电解液量太少，直接导致锂离子传导性能的降低。不但高倍率放电性能较差，电池的内阻也会增大，也将影响电极中硫的利用率，导致电池容量的降低。对锂电极进行表面处理，在锂表面形成保护层，可有效避免金属锂与电解液直接接触，从而避免金属锂与聚硫离子反应，可以降低锂硫电池的容量衰退对电解液添加量的敏感性，达到提高锂硫电池充放电循环寿命的同时，也利于锂硫电池工业化生产时的品质管理，避免在电池装配过程中由于电解液添加量的误差导致的电池性能波动，提升锂硫电池性能的一致性。

吡咯含有一个氮杂原子的五元杂环化合物，分子式C4H5N，无色液体。沸点130～131℃，相对密度0.9691(20/4℃)。微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。吡咯易氧化形成聚吡咯，与金属锂反应释放氢气形成吡咯锂。吡咯氮邻位上的氢活性较高，易于电化学或化学氧化而形成聚吡咯。而聚吡咯则是一种导电高分子，化学性质稳定，不溶于酸、碱、以及有机溶剂。聚吡咯不仅能够导电，也能够传导阳离子，因此，聚吡咯是一种良好的锂离子和电子导体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种吡咯表面处理的锂电极及其锂硫电池，该电池是在金属锂负极表面原位形成具备聚吡咯锂表面防护层的锂硫电池。