[发明专利]一种锂硫电池电极、含有该电极的锂硫电池及其制备方法

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；第i层涂层厚度为hi，涂层中硫基复合物的含量为ai％，且0％≤ai％≤99.5％，hi≥1μm；第i层涂层中硫基复合物对锂硫化物的束缚能力为αi，且α1≤α2≤……αi≤……≤αn。由于该锂硫电池电极具有多层结构，表层涂层对底层涂层具有保护作用：可以限制底层涂层中嵌锂后形成的锂硫化合物的向电极表面、甚至电池的负极扩散；而本发明中，电极表层所使用的硫基复合物基体对锂硫化合物的束缚能力强，能够最大化对底层锂硫化物的束缚能力，使得制备的锂硫电池具有更好的循环性能。

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；第i层涂层厚度为hi，涂层中硫基复合物的含量为ai％，且0％≤ai％≤99.5％，hi≥1μm；第i层涂层中硫基复合物对锂硫化物的束缚能力为αi，且α1≤α2≤……αi≤……≤αn。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，5％≤ai％≤98％，400μm≥hi≥2μm；

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述硫基复合物包括硫和基体，所述硫为单质硫或/和硫化物；硫的负载量为b％，且5％≤b％≤98％。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述基体包括碳材料、导电聚合物、多孔金属材料中的至少一种。

作为本发明锂硫电池电极的一种改进，所述硫基复合物中的碳材料包括活性碳、导电碳黑、超级导电碳、碳纳米管、科琴黑、石墨烯中的至少一种；所述导电聚合物(就是聚合物中含有π键的一类物质)包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔中的至少一种；所述多孔金属材料包括多孔铝、多孔镍、泡沫镍中至少一种。