[发明专利]一种锂硫电池用正极材料及其使用方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用正极材料及其使用方法。所述锂硫电池用正极材料主要由碳纳米管和聚乙烯吡咯烷酮组成，其结构为具有片层和垂直通透孔的块体，所述片层与所述垂直通透孔相互平行；其使用方法为将上述块体沿着垂直片层的方向按压，再浸入含硫溶液中或将含硫溶液滴加到上述块体中，然后直接作为锂硫电池正极使用。本发明提供的正极材料能够明显提高锂硫电池正极的导电性，显著降低多硫化合物的穿梭效应，从而极大提高锂硫电池的电化学综合性能。

技术领域

本发明属于二次电池领域，具体的说是一种锂硫电池用正极材料及其使用方法。

背景技术

随着化石能源的不断减少，人们对于新型能源的需求正在日益提升。具有可充放电能力的锂离子二次电池从问世以来就一直受到了广泛的关注和青睐。自1991年日本索尼公司在全球范围内实现锂离子电池的产业化之后，人们对于锂离子电池的关注也是一步一步逐渐加深。特别的，由于传统锂离子电池体系(钴酸锂/石墨和磷酸铁锂/石墨体系)在能量密度方面的限制，使得近年来对于其他二次电池体系的研究愈演愈盛。其中值得一提的是采用金属锂为负极材料，单质硫作为正极材料的锂硫电池体系。其理论能量密度达2600Wh/kg，为传统锂离子电池的6倍以上。

然而，现如今的锂硫电池体系迟迟未能得到产业化，主要由于几个原因。首先是正极材料硫及其在放电过程中的诸多放电产物(Li₂Sx，x＝1-8)拥有欠佳的离子和电子传导能力。这使得电池内部的阻抗大大提升，因而容易造成较大的极化倾向，进而导致能量转化效率的降低。与此同时，以Li₂S₂和Li₂S为代表的中间产物容易沉积在硫颗粒的表面，从而影响正极硫的充分利用，降低电池的能量密度。第二个原因同样由放电产物多硫化合物造成，拥有较高价态硫的多硫化合物(Li₂Sx，x＝4-8)很容易溶解于电解液抑或与电解液发生反应，这使得电池的整体容量会发生持续性的不可逆衰减。而溶解在电解液当中的这些多硫化合物甚至会通过隔膜的孔洞扩散到负极锂的表面，并在其表面被氧化成拥有较低价态硫的Li₂S₂和Li₂S，这会导致整个锂硫电池体系能量的衰减。另外一个原因是硫在放电过程中会发生急剧的体积膨胀(膨胀率达79％)，这往往容易造成硫或其放电产物与集流体之间电接触的弱化，使得体系的电阻加大，影响整体的性能。

普通多壁碳纳米管可以承受的电流密度为109A/cm²，该数值为金属铜的1000倍。采用碳纳米管构筑的导电网络作为附着单质硫的支撑架能够显著提高正极的导电性。碳纳米管一般作为导电添加剂，与粘结剂和分散剂一起用于锂硫电池正极，可以显著改善锂硫电池的放电比容量、倍率性能及循环稳定性。然而，目前在电极材料中使用的碳纳米管导电骨架多为无序状态，无序碳纳米管构建导电网络中硫的负载往往造成导电网络在碳纳米管搭接处的接触电阻大幅提高，不能充分发挥碳纳米管的优势。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种锂硫电池用正极材料及其使用方法，该正极材料能够充分发挥碳纳米管的优势，在实现较高硫负载量的同时能够显著降低多硫化合物的穿梭效应，从而显著提高锂硫电池的电化学综合性能。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种锂硫电池用正极材料，主要由碳纳米管和聚乙烯吡咯烷酮组成，所述锂硫电池用正极材料的结构为具有片层和垂直通透孔的块体，所述片层与所述垂直通透孔相互平行。

作为本发明改进的技术方案，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为15～25nm，长度为5～15μm。

作为本发明改进的技术方案，所述片层的厚度为500nm～10μm,相邻片层的间距为10～200μm。