[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

说明书

技术领域

本发明涉及电化学，尤其涉及一种高硫面积负载的双集流体硫正极及其制备方法与在锂硫电池中的应用。

背景技术

锂离子二次电池是一种高效率、高能量密度的电能存储装置，已经被广泛应用于各种小型可移动电子设备。与其他电池体系一样，锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大关键材料构成，材料的性质与锂离子电池的性能有着非常重要的关系。目前锂离子电池广泛用作小型便携式通信电子设备(如手机、手提式电脑等)的电源，其地位不可撼动。但随着社会的进一步发展(如电动汽车在动力源方面的要求)，现有的锂离子电池体系在价格、安全性、比容量和功率性能、原材料的富足等方面都还有待提高。开发更高性能的材料和与之对应的储能体系极为重要。

单质硫，作为锂硫电池的正极材料，具有比容量高、自然资源丰富、价格低廉和对环境友好等多种优势。硫作为锂硫电池的正极材料，其理论比容量1675mAh g^-1，被认为是十分理想的下一代锂电池用正极材料；如果负极使用锂金属(理论比容量3860mAh g^-1)，形成的锂硫二次电池理论能量密度可以达到2680Wh Kg^-1，是理想的高能量密度二次电池。但锂硫电池的实际应用被以下几方面所限制，如活性物质硫及其放电产物硫化锂的导电性差、聚硫离子中间体在非水电解液中的高溶解度和扩散及其造成的穿梭效应和体积膨胀等。这些造成了锂硫电池的低硫利用率、低库仑效率、快速容量衰减和短循环寿命

为改善锂硫电池的循环特性，研究者们提出了各种各样的解决方案，如碳硫复合材料，这些方法虽对电池性能有所改善，但其正极活性物质的面积负载量较低，一般小于2mg cm^-2,导致其面积比容量小于3mAh cm^-2,达不到目前市场的要求。虽然最近也有人提出了用石墨烯片、碳纤维片等无铝箔基体作集流体负载硫活性物质，从而提高极片硫活性物质的单位面积负载量，但这些方法的实施成本较高，不适合于大规模生产和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供具有三明治结构，极高的单位面积硫负载量，极高的面积比容量和优异的循环性能，且制备方法简单、易于大规模应用的双集流体硫正极及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供双集流体硫正极在锂硫电池中的应用。

所述双集流体硫正极包含下集流体、中间活性物质层和上集流体；

所述下集流体可选自铝箔、镍箔、铝合金薄膜等中的一种，优选铝箔。

所述中间活性物质层由活性物质和粘结剂组成，所述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％，涂覆时采用刮刀涂覆；所述活性物质可选自商业化的硫单质(S₈)、碳硫复合物、Li₂S、有机碳硫化合物等中的至少一种，优选商业化硫单质(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。单位面积负载量太低，则单位面积比容量较低，不能满足市场的需要，太高则电池的循环特性有所降低。

所述粘结剂可选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚乙烯醇(PVA)、SBR和聚氧乙烯(PEO)等中的至少一种。

所述上集流体由碳导电物质和粘结剂组成，其中碳的质量百分比为80％～95％，且碳与中间层硫活性物质的质量比约为1，其涂覆方法选用刮刀涂覆的方法，简单易操作；所述上集流体中的碳，包括选自气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯、乙炔黑等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VGCF；所述上集流体中的粘结剂可选自PEO、CMC、PVDF、SBR、PVA、PTFE等中的至少一种，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。

所述双集流体硫正极的制备方法包括以下步骤：

1)制备单位面积高硫负载量的硫电极；