[发明专利]正极材料及其制备方法、正极片及锂硫电池

说明书

本发明提供了一种锂硫电池正极材料及其制备方法、正极片及锂硫电池，该正极材料包含脱掺杂聚苯胺。该正极材料的制备方法为（1）制备脱掺杂聚苯胺；（2）制备脱掺杂聚苯胺溶液；（3）制备正极材料。该正极片包括集流体和与集流体表面结合的活性层，所述活性层含有上述的正极材料。该锂硫电池包括上述的正极片。该正极材料在充放电过程中产生了新的电化学动力学行为，能抑制飞梭效应且结构稳定。包含该正极材料的正极片具有活性物质克容量较高、活性物质溶失少且结构稳定等优点，包含该正极片的锂硫电池的比容量和循环寿命相应得到了很大的提高。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，尤其涉及一种正极材料及其制备方法、正极片及锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是指以金属锂为负极，单质硫为正极活性物质的新一代锂离子二次电池。金属锂作为负极组装而成的金属锂电池具有更高的能量密度和工作电压，硫元素的氧化数可以从-2到+6，假设每个硫原子电子转移数为2，利用Li₂S和S之间的可逆变换，理论比容量为1672mAh/g，按平均电压2.1V计算，其理论能量密度为2600Wh/kg。锂-硫组合是所有已知的化学可逆系统中能量密度最高的固态电极组合。

尽管与传统锂离子电池相比，锂硫电池具有上述优点，但仍存在活性物质利用率低、循环性能差、库伦效率低、自放电率高等问题，延缓了其实用化的步伐。锂硫电池放电过程产生易溶于有机电解液的中间产物S_n^2-（4≤n≤8）。部分聚硫离子在电场及浓度梯度作用下迁出硫正极，向金属锂负极扩散并与之反应，导致金属锂电极表面腐蚀钝化和正极活性物质的损耗，使电池的硫利用率和循环稳定性降低。

近年来，在锂硫电池的硫正极方面开展了大量的研究，主要通过采用孔道丰富、结构新颖的碳材料、导电性能优异的导电聚合物以及纳米金属氧化物材料，来提高正极导电性能、改善正极结构、抑制聚硫溶解，Li-S电池的性能获得了显著的提高。其中，掺杂聚苯胺改性硫正极是其中一个研究方向。

聚苯胺的掺杂方式包含有质子酸掺杂、离子注入掺杂以及氧化还原掺杂等。由于质子酸掺杂的聚苯胺具有原料易得、成本低廉、合成简便、易成膜、稳定性好、导电率较高且能在不同氧化态之间进行可逆氧化还原反应以及能储存高密度的电荷等优点，从而成为人们研究的重点。目前应用于电池领域的质子酸掺杂聚苯胺改性硫正极的原理主要是利用聚苯胺的电子导电性和形成导电包覆壳体，抑制聚硫锂向有机电解液中扩散，最终改善锂硫电池的性能。但由于聚苯胺壳层本身力学强度较差，在电池充放电的过程中，都很难按照理想的壳层结构模型来运行，即使聚硫锂的溶出能够得到一定程度上的缓解，仍不能做到完全控制。在充电的过程中，当脱离了正极结构的聚硫锂再次向正极内部扩散时，这种优化设计的正极结构会变成物理阻隔屏障，而反作用于溶出的聚硫离子S_n^2-（4≤n≤8），这也是导电聚合物PAn包覆硫正极所存在的弊端。此外，由于导电态聚苯胺（即质子酸掺杂聚苯胺）是酸性的，作为添加剂使用会造成铝集流体的腐蚀。因此其技术效果有限，并且按照这种作用机制设计的锂硫电池，一旦导电聚合物壳层发生局部破坏，必然影响其作用效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能抑制飞梭效应且结构稳定的正极材料，还相应提供该正极材料的制备方法，另外，还提供一种活性物质克容量较高、活性物质溶失少且结构稳定的包含该正极材料的正极片，还提供一种比容量和循环寿命高的锂硫电池。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种正极材料，所述正极材料包括脱掺杂聚苯胺。

上述的正极材料，优选的，所述脱掺杂聚苯胺为质子酸掺杂的聚苯胺经脱酸掺杂后形成。

上述的正极材料，优选的，所述正极材料为脱掺杂聚苯胺-硫-碳复合物。

上述的脱掺杂聚苯胺-硫-碳复合物中，脱掺杂聚苯胺以分子水平分散在碳骨架上。