[发明专利]锂化硫电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，涉及锂化硫电极及其制备方法与应用。

技术背景

锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长以及环境友好等优点一直以来在便携设备、电动汽车等方向被广泛应用。但随着现代社会的发展和电子设备的进步，现已商品化的锂离子电池材料的容量已经难以满足应用需求。锂硫电池的理论密度高(2600Wh/kg)，是以磷酸铁锂为正极(～385Wh/kg)的锂离子电池理论能量密度的6.75倍，同时，作为石油副产物，正极材料单质硫廉价易得，因此锂硫电池被很多研究者视为锂离子电池的理想替代。然而，锂硫电池的硫正极和放电产物(多硫化物)导电性差，多硫化物在电液中溶解流失导致容量衰减快和库伦效率低，并且，充放电过程中体积膨胀较大导致电极结构不稳定。同时，负极的金属锂在充放电过程中，也存在产生枝晶穿刺隔膜造成短路的风险。

由于硫化锂(Li₂S)电极在一定程度上可以解决其中的问题，而逐渐进入人们的视野之中。首先，作为富锂材料，硫化锂可以与不含锂的负极相匹配(如石墨、硅、锡、磷等)组成全电池，以规避锂枝晶的问题；其次，Li₂S在首次充电过程中伴随着锂离子的迁出以及体积的缩小，给放电时的膨胀过程以缓冲，与硫单质电极相比，Li₂S电极在充放电过程中结构更加稳定，不易坍塌，为电池的良好循环稳定性打下了基础。鉴于Li₂S的以上优点以及较高的理论容量(1166mAh/g)，相关研究广泛展开。

然而，现有的将硫锂化的方法均存在一定的问题而难以付诸大规模应用。在文献Nanoscale(2015,7,14385–14392)中，报道了以Li₂SO₄为原料，通过碳热高温还原反应制备Li₂S-石墨烯复合电极，为使Li₂SO4还原成Li₂S，需要经过800℃高温煅烧；出光兴产株式会社专利CN1871177A在非质子性有机溶剂中使氢氧化锂和硫化氢反应得到Li₂S，用有机溶剂在100℃以上的温度下洗涤，该法可降低硫化锂中含有的杂质。但以上两法工艺较为繁琐且条件苛刻，制备周期长，将引起较高的预算及时间成本。文献Nano Letters(2010,10(4):1486)中，报道了用丁基锂试剂锂化硫极片的方法制备硫化锂Li₂S，但丁基锂活性极强，遇潮湿空气立即燃烧，不利于大规模应用和管控。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种锂化硫电极及其制备方法与应用，使高容量的硫电极便于与不含锂的负极匹配成全电池，也为一系列新型高能量密度电池体系的发展提供了可能。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<制备方法>

本发明提供一种锂化硫电极的制备方法，其特征在于：将含硫电极材料与浓度为0.001～10mol/L的芳基锂化试剂的溶液进行反应，其中，芳基锂化试剂为多环共轭芳香基锂，溶剂为非质子性溶剂，含硫电极材料中的硫与芳基锂化试剂中的锂的摩尔比为1：0.01～1000。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：含硫电极材料与芳基锂化试剂的溶液反应具体为：将芳基锂试剂的溶液涂覆在含硫的电极表面，或将硫电极浸泡在芳香锂试剂的溶液中反应一定时间，即可得到锂化的硫电极材料。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：芳基锂化试剂溶液的浓度为0.05～5mol/L。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：含硫电极材料中的硫与芳基锂化试剂中的锂的摩尔比优选为1：0.1～200。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：芳基锂化试剂为萘锂、蒽锂、菲锂等多环共轭芳香基锂中的任意一种或几种。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极及其制备方法还可以具有以下特征：溶剂为乙醚、乙二醇二甲醚，二乙二醇二甲醚，乙腈，N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等非质子性溶剂中的任意一种或几种。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：反应时间为1s～48h，优选为10s～24h。

进一步地，本发明提供的锂化硫电极的制备方法还可以具有以下特征：含硫电极材料的主要成分包括单质硫、硫-碳复合物、硫-聚合物复合物中的任意一种或几种。