[发明专利]双集流体硫正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用

权利要求书

1.双集流体硫正极，其特征在于包含下集流体、中间活性物质层和上集流体。

2.如权利要求1所述双集流体硫正极，其特征在于所述下集流体选自铝箔、镍箔、铝合金薄膜中的一种，优选铝箔。

3.如权利要求1所述双集流体硫正极，其特征在于所述中间活性物质层由活性物质和中间活性物质粘结剂组成；所述活性物质的质量百分比为90％～95％，中间活性物质粘结剂的质量百分比为10％～5％，涂覆时采用刮刀涂覆；所述活性物质可选自硫单质(S₈)、碳硫复合物、Li₂S、有机碳硫化合物中的至少一种，优选硫单质(S₈)；硫单质的单位面积负载量范围可为1～16mg cm^-2，优选7～10mg cm^-2；所述中间活性物质粘结剂可选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、SBR和聚氧乙烯中的至少一种。

4.如权利要求1所述双集流体硫正极，其特征在于所述上集流体由碳导电物质和上集流体粘结剂组成，碳导电物质中的碳质量百分比为80％～95％，所述碳导电物质中的碳与中间层硫活性物质的质量比为1；所述上集流体中的碳，包括选自气相生长碳纤维、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑导电碳中的至少一种，优选导电性好、比表面积大的导电碳，如气相生长碳纤维；所述上集流体中的粘结剂可选自PEO、CMC、PVDF、SBR、PVA、PTFE中的至少一种，其中优选有一定固定聚硫化物能力和较好的锂离子导电性的粘结剂，如PEO和CMC质量比1︰1的组合。

5.如权利要求1所述双集流体硫正极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制备单位面积高硫负载量的硫电极；

2)制备上集流体。

6.如权利要求5所述双集流体硫正极的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述制备单位面积高硫负载量的硫电极的具体方法为：将硫活性物质和粘结剂加入分散剂中搅拌，用刮刀涂覆的方法将所得的浆料直接涂覆在集流体上，在60℃的真空烘箱中烘干24h，得硫电极。

7.如权利要求6所述双集流体硫正极的制备方法，其特征在于所述硫活性物质选自商业化硫粉，所述粘结剂采用PVDF；所述硫活性物质的质量百分比为90％～95％，粘结剂的质量百分比为10％～5％。优选硫活性物质的质量百分比为95％，粘结剂的质量百分比为5％；所述分散剂可选自N-甲级吡咯烷酮、四氢呋喃、乙醇锂离子电池常用的分散剂，优选N-甲级吡咯烷酮NMP；所述活性物质的涂覆量可以根据所加NMP分散剂的量来控制浆料的浓度来控制；所述硫活性物质单位面积负载量可为1～16mg cm^-2，优选7～10mg cm^-2。

8.如权利要求5所述双集流体硫正极的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备上集流体的具体方法为：先将所选的碳和粘结剂加入到分散剂中搅拌，用刮刀涂覆将所得浆料直接涂覆在步骤1)中所得的硫电极上，真空烘干，得双集流体硫正极；所述碳优选商业化VGCF，所述粘结剂的质量比可为1︰1的PEO和CMC的混合粘结剂；所述碳的质量百分比可为80％～95％，且碳与中间层硫活性物质的质量比为1，优选碳的含量为90％；所述分散剂可选自去离子水、N-甲级吡咯烷酮、四氢呋喃、乙醇等锂离子电池常用的分散剂，所选粘结剂优选去离子水为分散剂。

9.如权利要求1所述双集流体硫正极在锂硫电池中应用。

10.如权利要求9所述应用，其特征在于所述锂硫电池包括双集流体正极、负极、隔膜和非水电解液；所述锂硫电池为非水电解液二次锂硫电池；所述负极包括负极活性物质，所述负极活性物质包括锂嵌入的材料、锂合金材料和锂金属之一；所述非水电解液的溶剂为分子式为R(CH₂CH₂O)_n-R'的多醚类，其中，n＝1～￡6，R和R'为甲基或乙基；

所述非水电解液包括电解质盐、有机溶剂和添加剂，其中电解质盐选自六氟磷酸锂，四氟硼酸锂，六氟砷酸锂，高氯酸锂，三氟甲磺酸锂，双(三氟甲基)磺酰亚胺锂中的至少一种；有机溶剂为非水溶剂；可优选多醚类R(CH₂CH₂O)n-R'，n＝1～6；R和R'为甲基或乙基，特别是二甲醚四甘醇，乙二醇二甲醚，1,3-二氧戊烷中的一种；优选含碳酸酯类，介电常数为30以上的酯，含碳酸酯类为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、γ-丁内酯、硫类酯(乙二醇硫化物)中的一种，优选环状酯，碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、环状碳酸酯中的一种；可采用碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯为代表的低粘度的极性链状碳酸酯、脂肪族支链型碳酸酯类化合物；有机溶剂优选环状碳酸酯与链状碳酸酯的混合溶剂，或碳酸乙烯酯与链状碳酸酯的混合溶剂；采用丙酸甲酯、磷酸三甲酯、3-甲氧基丙腈；所述丙酸甲酯为链状烷基酯类，所述磷酸三甲酯为链状磷酸三酯，所述3-甲氧基丙腈为腈类溶剂；以树枝状化合物为代表的具有醚键的支链型化合物非水溶剂；或采用氟类溶剂，所述氟类溶剂选自直链结构的(全氟烷基)烷基醚，所述直链结构的(全氟烷基)烷基醚选自H(CF₂)₂OCH₃、C₄F₉OCH₃、H(CF₂)₂OCH₂CH₃、H(CF₂)₂OCH₂CF₃、H(CF₂)₂CH₂O(CF₂)₂H、CF₃CHFCF₂OCH₃、CF₃CHFCF₂OCH₂CH₃中的一种，即2-三氟甲基六氟丙基甲醚、2-三氟甲基六氟丙基乙醚、2-三氟甲基六氟丙基丙醚、3-三氟甲基八氟丁基甲醚、3-三氟甲基八氟丁基乙醚、3-三氟甲基八氟丁基丙醚、4-三氟甲基十氟戊基甲醚、4-三氟甲基十氟戊基乙醚、4-三氟甲基十氟戊基丙醚、5-三氟甲基十二氟己基甲醚、5-三氟甲基十二氟己基乙醚、5-三氟甲基十二氟己基丙醚、6-三氟甲基十四氟庚基甲醚、6-三氟甲基十四氟庚基乙醚、6-三氟甲基十四氟庚基丙醚、7-三氟甲基十六氟辛基甲醚、7-三氟甲基十六氟辛基乙醚、7-三氟甲基十六氟辛基丙醚中的一种。