[发明专利]一种锂硫电池阴极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池阴极材料，包括阴极含硫活性物质，所述阴极含硫活性物质表面均匀可控地包覆一层亲水性高分子包覆膜。本发明通过在阴极含硫活性物质表面包覆亲水性高分子包覆膜，最大程度上抑制了活性物质硫在充放电过程中的“穿梭效应”，同时极大地增强了电池在高倍率充放电时的锂离子传递速率，本发明亲水性高分子包覆膜均匀可控地包覆在含硫活性物质表面。含硫活性物质采用具有多孔结构的硫‑碳复合物，孔径为5nm左右，固硫效果好，电池隔膜不需要作任何修饰，锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化物不会聚集在隔膜上，避免阻塞隔膜或加剧电池极化，从而使锂硫电池的充放电性能和循环寿命大大提升。

技术领域

本发明属于电化学能源和纳米材料制备技术领域，具体涉及一种锂硫电池阴极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池因高能量密度备受关注，但其在充放电时阴极产生多硫化物极易溶于电解液扩散至阳极与锂反应，在锂表面生成不溶于电解液的硫化锂绝缘层，使锂失去电化学活性。同时，由于多硫化物在阴极的溶解，使硫电极上的活性物质也不断减少，导致锂硫电池的容量快速下降。此外，多硫化物在正、负极间扩散也可会吸附在隔膜表面，甚至阻塞锂离子通道，从而增大电池内阻，引起锂硫电池的库仑效率低、倍率性能差、电池循环寿命短等问题。为了解决这些问题，有研究人员提出了采用碳材料、聚多巴胺、金属氧化物等物质涂覆在隔膜表面或在隔膜和硫电极间加一层阻挡层形成双隔膜的方式来抑制多硫化物在两电极间的“穿梭”；还有研究人员提出将硫与碳材料、聚多巴胺等复合，得到改性的阴极材料，以减缓在充放电过程中的“穿梭效应”。

中国专利CN 105280867 A提供了一种锂硫电池专用改性隔膜及其制备方法，在普通隔膜靠正极一侧的表面涂布一层添加有导电剂的科琴黑包覆金属氧化物改性涂层，虽然可在一定程度上缓减多硫化物的穿梭效应，但其在充放电过程中产生的多硫化物会有很大一部分聚集在隔膜或覆盖在隔膜上，因此阻塞隔膜，增加了锂离子迁移阻力，特别在高倍率电流下充放电锂离子受到阻挡层的阻力非常大，致使锂离子在充放电过程中电极极化特别严重，且使大部分硫失去活性。

中国专利CN 102208645 B提供了一种锂硫电池正极材料，包括硫基正极活性物质和无定型碳，无定型碳均匀致密地包覆在硫基正极活性物质表面，硫基正极活性物质的颗粒大小为10nm～10um，无定型碳层厚度为1～5nm，采用该正极材料的锂硫电池比容量在800mAh左右，循环100圈后的容量保持率为68～82％，循环性能较差。因此，现有的锂硫电池的充放电能力和循环寿命等性能均存在进一步提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种长循环寿命、高容量、成本低、制备工艺简单的锂硫电池阴极材料及其制备方法。

本发明提供的这种锂硫电池阴极材料，包括阴极含硫活性物质，所述阴极含硫活性物质表面均匀可控地包覆一层亲水性高分子包覆膜。

优选的，所述阴极含硫活性物质颗粒的粒径为10～1000nm，亲水性高分子包覆膜的厚度为0.1～10nm。

优选的，所述亲水性高分子包覆膜为天然水溶性高分子、化学改性天然聚合物、合成聚合物中的一种或多种。

更优选的，所述天然水溶性高分子为淀粉类、纤维素、植物胶、动物胶中的一种或多种；所述化学改性天然聚合物为羧甲基淀粉、醋酸淀粉、羟甲基纤维素、羧甲基纤维素中的一种或多种；所述合成聚合物为阴离子聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

优选的，所述阴极含硫活性物质为硫-碳复合物、单质硫、多硫化物、硫-导电聚合物复合物、硫-金属氧化物复合物、硫-金属硫化物复合物中的一种或多种。

更优选的，所述硫-碳复合物为硫-活性炭、硫-石墨烯、硫-碳纳米管中的一种或多种。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了所述锂硫电池阴极材料的制备方法，包括以下步骤：