[发明专利]一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法及锂硫电池应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法和锂硫电池。该复合正极材料由包括单质硫、金属‑非金属元素共掺杂导电石墨化碳材料和导锂聚合物在内的原料复合而成；其制备过程时将金属‑非金属共掺杂导电石墨化碳材料、导锂聚合物与溶有单质硫的溶液搅拌混合后，通过挥发溶剂，热处理，即得具有较高导电性，能提高活性物质硫的利用率的复合正极材料，且其制备方法简单、工艺条件温和，极大地降低了锂硫电池正极材料的生产成本，满足工业生产要求；该复合正极材料制成锂硫电池具有高放电比容量、稳定的循环性能和较高安全性能，且无需集流体，无需添加导电剂和粘结剂。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池复合正极材料及全固态锂硫电池应用，具体涉及一种低成本、高载硫量的锂硫电池复合正极材料及其制备方法，还涉及一种高能量密度、高功率密度及快速充放电的锂硫电池，属于电化学能源技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，环境与资源问题日益凸显，开发绿色、高效、可再生的新能源储能器件已成为目前各国发展的重要战略和研究热点。以单质硫为正极，金属锂为负极组成的锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh g^-1)和质量能量密度(2600Wh kg^-1)，被视为极具开发潜力和产业化的下一代电池系统之一。然而，单质硫及其放电产物多硫化锂几乎不导电，严重降低了锂硫电池的电子传输效率及电化学反应效率；充放电过程中形成的可溶多硫化物中间体易发生“穿梭效应”，也会使得正极活性物质流失，导致电池寿命缩短；同时，在电池正极的制备过程中需要铝箔作为集流体，并添加额外的导电剂和粘结剂。这些物质的加入都极大地增加了电池器件的生产成本和电池的总体重量，严重降低了电池器件的质量比能量密度和质量比功率密度。因此，开发具有优异电子导电性、离子电导性和固硫协同效应的宿主材料和实现无集流体，无导电剂和无粘结剂的锂硫电池正极结构优化已成为锂硫电池研发和商业化发展的必然趋势。

发明内容

针对现有技术中的锂硫电池存在容量发挥低、循环性能差以及制备成本高等问题，本发明的第一个目的是在于提供一种电子导电性、导锂离子性好，载硫量高，且能将多硫化物稳定束缚在正极区域，活性物质硫利用率高的锂硫电池复合正极材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、工艺条件温和、低成本制备锂硫电池复合正极材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种具有高倍率性能、循环性能稳定、高温稳定性的锂硫电池；该复合正极材料制备正极时无需添加集流体、导电剂和粘结剂等，且该复合正极材料中包含了高电子导电的金属纳米粒子(Fe、Co、Ni、Mn、Al、Ti、Mo)和石墨化碳以及具有较高锂离子传导性的导锂聚合物，金属纳米粒子和非金属元素有助于在充放电产物即多硫化物强烈的化学束缚，基于材料的结构和组成等特点，该复合正极材料制备的锂硫电池可以显著提高其综合电化学性能。

本发明提供了一种锂硫电池复合正极材料，包括单质硫、金属-非金属元素共掺杂导电石墨化碳材料和导锂聚合物；所述金属-非金属元素共掺杂石墨化碳材料中，掺杂的非金属元素为磷、氮、氟、硼、硫、氯中至少一种，掺杂的金属元素为Fe、Co、Ni、Mn、Al、Ti、Mo中至少一种。所述金属-非金属元素共掺杂石墨化碳材料中金属元素以金属纳米颗粒形式掺杂在石墨化碳中，非金属以共价键形式掺杂在石墨化碳中。