[发明专利]一种全封装硫电极

说明书

本发明公开了一种全封装硫电极，硫正极片位于两片导电复合膜之间，并对膜的边缘进行密封，导电复合膜由导电碳素材料，功能添加剂和粘接剂按一定的比例组成。以这种全封装的硫电极作为正极，商业聚乙烯或聚丙烯膜作为隔膜，金属锂片作为负极，与商业电解液组装成电池。通过一系列的对比实验和空白实验，证明采用该导电复合膜的全封装电极结构能够有效的抑制锂硫电池中多硫化物引起的“穿梭”效应。

技术领域

本发明涉及一种全封装硫电极，所述全封装硫正极的电极结构能够抑制锂硫电池中多硫化物的流失，进而提高锂硫电池的循环寿命。

背景技术

硫作为锂离子二次电池的正极，理论比容量为1675mAh g^-1,电池电压约为2.1V。以硫作为正极，锂作为负极的锂硫电池的理论能量密度为2600Wh kg^-1。因为锂硫电池具有优异的能量密度，并且硫的来源广泛且廉价易得，所以有望成为下一代的二次储能体系。

硫作为电池正极的最大问题是，硫几乎不导电，所以无法与导电碳建立电子传输通道。现已经发展了两套解决思路，一个思路是尽可能减小硫颗粒的尺寸，通过“隧道效应”打通硫与导电碳的电子通道；比如使用限制硫的纳米微孔碳材料或者硫/导电聚合物复合材料，该思路可以采用现有的酯类有机电解质，但是为了实现短链硫，对载体的孔结构有特殊要求并且以牺牲硫的载量为代价。另一个思路是，通过采用醚类有机电解液，硫与碳之间的“固/固”界面被转变为“固/液”界面，因为后者的界面电阻远远小于前者，因此可以缓解硫不导电的难题。该思路被目前大部分的研究者所采用。

虽然醚类电解液可以改善硫不导电的难题，但是转变成液态的多硫化物可以自由地扩散，穿过多孔隔膜后再与金属锂直接发生化学反应，降低电池寿命，即所谓的“穿梭”效应。为了缓解或者解决“穿梭”效应，研究者提出了很多新颖的思路，主要包括:第一、使用具有特殊形貌和结构的导电炭材料、导电聚合物、无机氧化物与硫制成复合材料或对硫正极进行包覆；第二、采用具有较强吸附能力的多孔插层置于隔膜与正极之间；第三、使用碳材料和氧化物对隔膜进行改性。这些工作，总结其特点是通过化学/物理吸附或者化学/物理阻隔来抑制“穿梭“效应。事实上，传统的锂离子二次电池的电池结构并不适用于锂硫体系，因为前者的电极材料不会发生溶解，所以可以采用开放式的电池结构。综上，针对采用醚类溶剂的锂硫电池体系，必须考虑对硫正极的整体阻隔，即设计全封装的硫正极。

尽管目前还做不到离子尺度上的完全阻隔，可以在导电复合膜中引入纳米氧化物颗粒形成致密的全封锁网络结构，降低多硫阴离子的扩散速度；或者在导电复合膜中引入支化单离子传导聚合物电解质，通过固定的阴离子与多硫阴离子之间的静电排斥阻止多硫阴离子向复合膜外扩散；或者在导电复合膜中引入聚季铵盐，通过固定阳离子与多硫阴离子之间的静电吸引牵制多硫阴离子向复合膜外扩散。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决锂硫电池循环性能差和库伦效率低的问题，本发明提出一种导电复合膜及其全封装硫电极的电极结构，这种简单的电极制备技术对锂硫电池的电化学性能有良好的提升。技术方案如下：

本发明提供一种双层导电复合膜对硫电极片的全封装结构。

进一步地，将硫正极片置于两片导电复合膜之间，然后对导电复合膜的边缘进行密封处理。

进一步地，边缘封装采用的是溶胀挤压的策略，即导电复合膜在某种溶剂的作用下发生部分溶胀，然后将两片溶胀后的膜进行正面挤压，干燥后实现了粘接密封的目的。

进一步地，上述溶剂可以为N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、乙醇、二甲亚砜、N,N’-二甲基甲酰胺、水、N,N’-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、乙醚等中的一种或几种。

本发明还提供一种导电复合膜，其组成为导电碳素材料，功能添加剂和粘接剂按一定比例混合。

进一步地，导电碳素材料，功能添加剂，粘接剂的质量比可以是4：3：3、3：3：4、3：5：3、4：4：2、3：5：2。