[发明专利]一种长效锂硫电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及储能技术领域，特别是涉及一种长效锂硫电池及其制备方法。

背景技术

近年来，严重的环境污染和能源短缺问题引起了广泛关注，可再生清洁能源的开发已成为当今热点课题，同时促进了储能器件如锂离子电池、锂硫电池、超级电容器等的发展。锂硫电池具有很高的理论比容量(1672mAh/g)，具有两个稳定的放电电压平台，与传统的的锂离子电池相比性能更加优异，具有成本低及绿色环保等特点，被认为是当前最具发展潜力的的二次电池体系之一。但是应该看到，锂硫电池在充放电过程中能够生成易溶于电解液的长链多硫化物，从而造成电极活性物质损失，同时发生“多硫离子穿梭效应”导致电池容量的快速衰减，并极大地降低充放电效率。为了克服这一缺陷，研究者们通常将硫复合到多孔碳的孔隙结构中，达到抑制多硫化物的溶解而改善电池性能的目的。Nazar等(Nature Materials，2009，8：500-506)将介孔碳CMK-3与硫复合，得到了CMK-3/硫复合材料，发现比容量和循环性能与单质硫相比均有了极大提高。在硫表面包覆具有较大比表面积的纳米金属氧化物，能够有效抑制硫颗粒之间的聚集，使其更容易被电解液浸润，同时有效抑制多硫化物的溶解，减少活性物质的流失，从而极大地改善材料的性能。马萍等(电子元件与材料，2007，26(8)：42-45)用纳米金属氧化物(V₂O₅，TiO₂)与单质硫复合制备了金属氧化物/硫复合材料，显著改善了硫电极的循环性能。但是，通常这种复合材料的载硫量很低，从而导致电池实际能量密度的大幅度下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种长效锂硫电池：由硫正极、多孔布、聚合物隔膜、金属锂负极及电解液组成，其中多孔布夹在硫正极和聚合物隔膜之间，依照硫正极、多孔布、聚合物隔膜、金属锂负极的顺序放置于电池壳内。多孔布包括纤维素纤维布及炭纤维布中的一种或两种，表面用0-10wt.％的石墨烯进行涂布。石墨烯为氧化石墨烯、还原石墨烯中的一种或两种。该方案利用多孔布吸附溶解于电解液内的多硫化物，抑制穿梭效应，达到提高锂硫电池循环性能的目的。

附图说明

图1为实施例1锂硫电池结构图。

图2为石墨烯涂布棉布扫描电镜图。

图3为石墨烯涂布炭布扫描电镜图。

图4为实施例2循环性能图。

图5为实施例3循环性能图。

图6为实施例4循环性能图。

具体实施方式

实施例1：硫正极的制备

将升华硫粉、乙炔黑(导电剂)及聚偏氟乙烯(粘结剂)按照75∶15∶10的质量比在N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，将浆料均匀地涂布到铝箔上。干燥后裁成直径为13mm的圆形正极片。

实施例2：常规锂硫电池的组装和测试，无多孔布

采用2430型扣式电池系统进行测试。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，依照硫正极、聚合物隔膜、金属锂负极的顺序放置于电池壳内，电解液为0.1M LiNO₃+1.0M LITHSI/DME+DOL(体积比为1∶1)。在室温下测试材料的电化学性质，采用蓝电CT2001A型电池测试系统进行充放电测试，电压范围为1.7-2.6V。

由图4可见，0.2C首次放电比容量分别为381mAh/g，100次循环后比容量分别保持为134mAh/g。

实施例3：本发明锂硫电池的组装和测试

采用2430型扣式电池系统进行测试。电池的组装在充满氩气的手套箱中进行，依照硫正极、表面涂布2％石墨烯的棉布(如图2所示)、聚合物隔膜、金属锂负极的顺序放置于电池壳内，电解液为0.1M LiNO₃+1.0M LITHSI/DME+DOL(体积比为1∶1)。在室温下测试材料的电化学性质，采用蓝电CT2001A型电池测试系统进行充放电测试，电压范围为1.7-2.6V。

由图5可见，0.2C首次放电比容量分别为1215mAh/g，100次循环后比容量分别保持为745mAh/g，循环性能及比容量均优于实施例2所制电池。

实施例4：本发明锂硫电池的组装和测试