[发明专利]一种锂硫电池复合正极及其制备方法、锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池复合正极及其制备方法、锂硫电池。

背景技术

随着电动汽车和便携式电子产品的飞速发展，迫切需要开发出更高能量密度的锂离子电池。但受传统正极材料如钴酸锂、锰酸锂等比容量的限制，其比能量很难再有较大的提高，因而发展新的正极材料势在必行。锂硫（Li-S）电池是以锂为负极（理论比容量3860mAh/g）、硫为正极（理论比容量1675mAh/g）的一种新型电化学储能系统，理论比能量可达2600Wh/kg，远大于现阶段的商业化锂离子电池，且硫在地球上的储量丰富，具有廉价、低毒的优点，使得该体系极具商业价值。但是硫在实际应用中还存在一些问题，首先，它的电导率很低，在室温下约为5×10^-30S/cm，作为电极材料时必须添加导电剂，从而会降低正极材料的能量密度；其次，电化学反应的中间产物多硫化锂易溶于电解液而产生“穿梭效应”，降低了硫的利用率和循环性能，增加了离子迁移阻力，同时放电产物Li₂S₂和Li₂S会在硫电极表面沉积，形成固体电解质相界面薄膜（SEI），导致硫利用率和循环性能下降；再次，硫正极在充放电过程中出现的体积反复剧烈变化会造成电池结构不稳定，导致循环寿命和比容量衰减。

近些年来，学术界和商业界主要通过研究相关的正极材料及电解液来提高硫的导电性和利用率，抑制多硫化物的扩散，而对隔膜与正极的一体化设计和对锂硫电池的整体能量密度关注度不高。CN103490027A号中国专利提出使用多孔阻挡层负载于普通隔膜上作为多硫化物的吸附层，进一步抑制多硫化物的扩散，但是这种方法增加了锂硫电池中隔膜的质量和体积，实际上有可能减小锂硫电池的体积能量密度，而且多孔阻挡层与正极之间的结合界面不紧密，容易增加界面电阻，降低了离子电导和电子电导。CN103972467A号中国专利设计了一种由第一石墨烯薄膜层、碳/硫活性物质层、第二石墨烯薄膜层和聚合物层构成的多层复合结构，实现了锂硫电池多组元一体化设计，第一石墨烯薄膜层为集流体，第二石墨烯薄膜层为多硫化物阻挡层。这种类似三明治结构的多层膜结构将石墨烯替代铝箔作为集流体，减少了电极的质量，且隔膜上负载的石墨烯可以抑制多硫化物的扩散，提高了电池的容量。但是，一方面目前石墨烯的使用成本还比较高，不利于大规模普及应用；另一方面，这种多层结构设计实际上并未实现真正意义上的正极一体化，因为石墨烯改性隔膜和石墨烯集流体仍然是分离的两个部分，组装成电池后会产生一定的界面电阻。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种锂硫电池复合正极及其制备方法、锂硫电池。将隔膜、多孔碳层(作为上层集流体和多硫化物物理阻挡层)和碳硫复合物层(作为活性物质层)进行有机结合，实现了真正意义上的正极一体化设计。该复合正极用于锂硫电池，可减少界面电阻，增大离子电导和电子电导，有效提高锂硫电池的质量能量密度、体积能量密度、循环性能和倍率性能。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种锂硫电池复合正极，该复合正极由隔膜层、多孔碳层和碳硫复合物层复合而成，其中多孔碳层设置于隔膜层的一侧，碳硫复合物层设置于多孔碳层上，形成隔膜层/多孔碳层/碳硫复合物层三层结构的复合正极。

上述的锂硫电池复合正极，优选的，所述多孔碳层的厚度为10μm~50μm，所述碳硫复合物层的厚度为40μm~200μm。在此厚度范围的多孔碳层可以有效传输离子和电子，以及吸附部分多硫化物；碳硫复合物层作为活性物质层，整体厚度比多孔碳层更厚，可以有效提高正极的能量密度。

上述的锂硫电池复合正极，优选的，所述隔膜层选自聚丙烯膜、聚乙烯膜中的一种，聚丙烯膜更优选Celgard2400。

上述的锂硫电池复合正极，优选的，所述多孔碳层由多孔碳、导电剂和粘合剂复合得到；所述碳硫复合物层由碳硫复合物、导电剂和粘合剂复合得到，所述碳硫复合物由多孔碳和单质硫复合得到。更优选的，所述多孔碳选自科琴黑、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、富勒烯、卡博特碳黑BP2000、活性炭中的至少一种，所述导电剂选自炭黑Super-P，所述粘合剂选自聚偏氟乙烯。

作为一个总的发明构思，本发明还提供上述锂硫电池复合正极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将多孔碳、导电剂和粘合剂加入到有机溶剂中混合均匀，制成浆料，然后将浆料均匀涂布在隔膜的一侧后再进行干燥，得到隔膜层的一个表面上形成有多孔碳层的复合物；