[发明专利]一种集流体、电极和隔膜一体化结构和半液态锂硫电池

说明书

本发明公开了一种集流体、电极和隔膜一体化结构和半液态锂硫电池，属于电化学能量储存的二次电池技术领域。将与多硫化物强相互作用的碳材料与高导电石墨烯均匀混合，通过抽滤或涂覆过程获得碳层/聚合物复合结构，并以多硫化物电解液作为硫源，将复合结构组装成集流体电极隔膜一体化结构的半液态锂硫电池。复合结构中的聚合物作为隔膜，碳层一方面作为内置导电网络实现高效电子传导，实现集流体的功能；另一方面作为电极来担载活性物质，并抑制多硫离子向负极扩散。本发明通过碳层/聚合物复合结构，实现集流体电极隔膜一体化设计，可简化电池制作程序，易实现工业化应用。

技术领域

本发明涉及电化学能量储存的二次电池技术领域，具体涉及一种集流体、电极和隔膜一体化结构，该一体化结构适用于半液态锂硫电池。

背景技术

随着近年来电动汽车与移动电子设备的飞速发展，锂离子电池的能量密度已难以满足需要。锂硫电池因其高的理论比容量(1675mAh g^-1)和理论能量密度(2600Wh kg^-1)，环境友好、安全无毒、成本低廉等优点，被认为是下一代最具前景的高能量二次电池体系而备受关注。但锂硫电池也存在很多缺点，硫在室温下的电子绝缘特性，充放电过程中高达80％的体积膨胀以及硫的放电中间产物多硫化物溶于电解液所引起的“穿梭效应”，都导致目前锂硫电池比容量发挥比较低及较差的循环性能，从而严重制约着锂硫电池的实际应用。

到目前为止，国内外对锂硫电池研究的主要集中在：文献1：Zhang Q,Cheng XB,Huang JQ,Peng HJ,Wei F.New Carbon Materials 29:4(2014)；文献2：Ji XL，Lee KT,Nazar LF.Nature Materials.8:6(2009)；文献3：W.Li,Q.Zhang,G.Zheng,Z.W.Seh,H.Yao,and Y.Cui,Understanding the Role of Different Conductive Polymers inImproving the Nanostructured Sulfur Cathode Performance,Nano Letters,13,5534-5540(2013)；文献4：Peng HJ,Huang J Q,Zhao M Q,Zhang Q,Cheng X B,Liu XY,Qian WZ,Wei F.Advanced Functional Materials 24:19(2014)，通过碳纳米管、石墨烯、多孔碳、导电聚合物等高导电性材料来对硫材料进行修饰，以达到改善整体的电极导电性和限制多硫化物扩散的目的。碳材料具有优异的导电性和丰富的孔结构，通过在电极中引入碳材料可以有效提高硫电极的导电性，同时抑制多硫化物向负极扩散。尽管单质硫和碳都是非极性物质，两者之间具有较好的亲和性，但放电过程中产生的多硫离子为极性物质，与非极性的碳材料相互作用力较弱，会导致多硫化物失去与导电碳骨架的电接触，从而造成活性物质的不可逆损失。因此如何在提高电极导电性的前提下，提高多硫离子与导电碳骨架的相互作用力，从而提高活性物质利用率是非常重要的。

因此，本发明提出了利用以高导电石墨烯为导电主体材料，并加入与多硫化物发生强相互作用的碳材料(如极性的镍-氮掺杂碳纳米片，氧化石墨烯，氮掺杂石墨烯以及氧化还原石墨烯等)，将混合均匀的导电碳材料浆料，通过抽滤或者涂覆的方法得到碳层/聚合物复合结构，并以液态的多硫化物作为硫源，组装出集流体电极隔膜一体化的半液态锂硫电池，简化了电池制备程序，并获得了良好的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集流体、电极和隔膜一体化结构和半液态锂硫电池，在半液态锂硫电池中直接使用碳层/聚合物复合结构(一体化结构)作为电极，多硫电解液作为硫源，为硫的电化学反应提供了良好的导电网络，增强了硫的利用率。

本发明的技术方案如下：