[发明专利]一种含硫正极、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于化学电源技术领域，涉及一种锂硫电池，尤其涉及一种含硫正极、其制备方法及用途。

背景技术

锂硫电池是近年来倍受关注和投入较多研究的高能量密度化学电源。以单质硫为正极，按照最终还原反应产物Li₂S计算，Li/S氧化还原对的理论能量密度高达2600Wh/kg，实际能量密度也可达到300~500Wh/kg，明显高于一般的商品化锂离子电池。可见，锂硫电池具有能量密度高的特点，在特种电源领域应用前景广阔。

但是单质硫作为正极材料存在许多问题。首先，单质硫在室温下为电子和离子绝缘体，电化学活性很低；另外，在锂硫电池中，单质硫正极的主要放电反应过程如下（V.S.Kolosnitsyn,E.V.Kuzmina,E.V.Karaseva.OntheReasonsforLowSulphurUtilizationintheLithium-sulphurBatteries.JournalofPowerSources,2015,274:203-210）：

S₈(固)+2Li⁺+2e^-→Li₂S₈(液)

Li₂S₈(液)+2Li⁺+2e^-→2Li₂S₄(液)

Li₂S₄(液)+2Li⁺+2e^-→Li₂S(固)+Li₂S₃(液)

2Li₂S₃(液)?4Li₂S₄(液)+Li₂S₂(液)

Li₂S₃(液)+2Li⁺+2e^-→Li₂S(固)+Li₂S₂(液)

Li₂S₂(液)+2Li⁺+2e^-→2Li₂S(固)

硫正极放电经历固相-液相-固相的反应过程，其中，放电过程中产生的聚硫离子中间产物Li₂S_x（如Li₂S₈、Li₂S₄、Li₂S₃等）易溶于电解液，在充电过程中，短链聚硫离子在正极侧转化为长链聚硫离子过程中，长链的聚硫离子可扩散回锂负极，与锂发生自放电反应，重新生成短链的聚硫离子，产生Li₂S_x穿梭效应，导致库伦效率低下。同时，固相产物Li₂S也是绝缘体，在电极孔道内不均匀沉积、团聚和生长，一方面可以导致电极内部孔隙的堵塞，另一方面也会影响电极内部的电子导电性，进而导致电极反应可逆性变差，循环性能下降。

为解决这些问题，引入导电性更好的金属元素是解决途径之一。中国发明专利（夏阳，张文魁，陶新永等，申请号：201210576971.1）和中国发明专利（潘勇，成娟娟，朱经涛等，申请号：201210524803.8）通过还原剂使金属离子还原并包覆于硫粉表面，分离得到纳米金属包覆硫复合材料。通过原位包覆纳米金属提高单质硫的导电性、防止硫和放电产物的溶解，抑制“穿梭效应”。但是在硫表面包覆金属，一方面很难完整将硫颗粒完整覆盖，另一方面，硫放电溶解后，由于硫的颗粒体积形变，纳米金属颗粒与硫会发生脱离，随着循环过程中不断溶解-沉积的进行，包覆金属可能会失去改性效果。中国发明专利（赵金保，刘波，王绪向，申请号：201310006823.0）将过渡金属粉末（优选铜）直接与正极活性物质的硫单质或硫化合物、导电材料以及粘结剂混合制备硫正极，但是如果是商品化的金属粉末，其粒子粒径比较大，直接添加到电极中对导电性改善效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供的一种用于含硫正极的复合导电剂，以改善锂硫电池的循环性能。