[发明专利]一种含金属镁粉的锂硫电池正极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源技术领域，具体涉及一种含金属镁粉的锂硫电池正极及其制备方法。

背景技术

随着清洁能源、电动交通、智能电网以及可携带设备的快速发展，人们对高性能的能源储存技术的需求愈发迫切。在此背景下，近二十年来，二次电池的研究取得了巨大的进步。

自从在上世纪末实现商业化以来，基于嵌脱锂效应的锂离子电池一直主导着市场。然而，由于其能量密度低，生产价格高等因素，现有的锂离子电池例如钴酸锂和磷酸铁锂等无法满足进一步发展需要，特别是无法满足电动汽车对储能系统的要求。

与此同时，锂硫电池因为其正极的高比容量（1675mAh/g）和电池的高能量密度（2600Wh/kg），以及硫的丰富储量和环境友好等优势，成为下一代高性能二次电池的理想选择。

虽然锂硫电池具有诸多优点，但活性物质利用率低，循环性能和倍率性能差，库伦效率低等缺陷正在限制其广泛应用。这些缺陷主要由两个因素导致：单质S、Li₂S和Li₂S₂电导率低；多硫化物会溶于电解液中并形成穿梭效应。这将导致活性物质不断损失，最终使电池容量不断衰退。此外，由硫和Li₂S的密度差引起的体积膨胀以及负极金属锂的枝晶问题也是限制锂硫电池大规模应用的重要因素。

目前，解决上述缺陷主要有四种研究思路：一是开发新型载体碳材料，包括多孔碳（Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51:3591 –3595；J. Am. Chem. Soc., 2012, 134:18510−18513）、中空碳球（Angew. Chem. Int. Ed., 2011,50:5904–5908）和石墨烯（Chem Commun., 2012, 48:1233-1235）等，利用碳材料孔结构吸附活性物质或用碳材料包覆活性物质来实现提高电池性能的目的；二是在正极制备中添加氧化物（Nano Lett., 2014, 14 (9), 5288–5294）或硫化物来吸附活性物质；三是设计多层正极结构来阻止活性物质流失（Adv. Mater., 2014, 26, 625–631）；四是开发新型碳硫聚合物或导电聚合物（Adv. Energy Mater. 2012, 2(10):1238-1245）来改进正极性能。

基于上述思路的研究结果都在一定程度上减缓了活性物质的损失，但尚不能满足商业化应用的需要。

提高锂硫电池的稳定性是非常重要的，我们的研究发现，在硫电极中添加部分金属粉末可以大大提高电池运行的稳定性。本发明将披露在锂硫电池的硫电极添加金属镁粉的结果，可以看到，在硫电极中添加了部分金属镁粉后，其充放电稳定性得到很大提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种由金属稳定化的含金属镁粉的锂硫电池正极及其制备方法，该正极具有优异的比容量和稳定的循环性能。此外，该正极制作工艺简单，原料便宜，满足大规模制造的要求，具有很好的商业化应用前景。

一种含金属镁粉的锂硫电池正极的制备方法，包括以下步骤：

1）用物理法、化学法制备导电剂-硫的混合物；

2）将步骤1）中制得的导电剂-硫的混合物进行热处理得到导电剂-硫复合物；

3）将步骤2）中热处理所得的导电剂-硫复合物和金属镁粉均匀混合得到正极活性物质；

4）将步骤3）中所得的正极活性物质和粘结剂、溶剂混合搅拌均匀，涂覆在集流体上，经真空干燥后得到正极极片。

进一步地，步骤1）所述物理法是指机械研磨方法，如球磨法；化学法是指通过化学方法制备单质硫，如用硫代硫酸钠和盐酸反应生成单质硫。

进一步地，步骤1）所述的导电剂包括但不局限于碳基物质和导电聚合物，如石墨、石墨烯、Super P、Black AB、碳纳米管、三维多级孔类石墨烯材料（如专利号为ZL 201210455913.3的中国发明专利制得的高比表面积多级孔石墨化碳）、聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩，或者它们的组合。

进一步地，步骤2）中的热处理是指在真空或近真空条件下，以1 ℃/min-10 ℃/min升温速率，升温速率较好为4-5 ℃ /min，加热至150-160 ℃并在150-160 ℃下热保温5~20小时，一般为8-12小时。