[发明专利]一种新型的锂硫二次电池

说明书

本发明涉及一种新型的锂硫二次电池。将Li₂S以纳米状态分散在由碳纳米管、石墨烯等导电材料构成的导电网络中，涂覆在正极集流体上构成锂硫电池的正极；在负极集流体上涂覆碳纳米管等导电材料构成负极；或者在负极集流体上直接被覆聚合物电解质薄膜构成负极。本发明避免了使用活泼性极高的金属锂作为负极，从而带来制造上的极大优越性，大大极大制造成本。

技术领域

本发明涉及锂硫二次电池，属于二次锂电池范畴。

背景技术

现在，二次锂电池已经广泛应用于手机、笔记本等IT产品，更大的应用在于电动汽车和储能应用。目前应用的二次锂电池主要的是锂离子电池，其能量密度虽然已经很高了，但随着手机等产品的进步，需要的电量越来越高；而电动汽车的实用化也对电池能量密度提出了更高要求。现在的锂离子电池能量密度虽然还在不断提升，但提升空间已经不大。要满足电动汽车等产品对二次电池更高的能量密度的要求，靠现有的电池体系的改进是不行的了，只有发展新的电池体系。此外，目前的锂离子电池正极材料大量使用镍、钴等稀缺物质，不能适应在电动汽车及储能产业上的广泛使用对资源的要求。

锂硫二次电池是一种新型的二次锂电池。锂硫电池具有很高的能量密度，作为产品的能量密度可达到700wh/kg，远远高于目前实用化的三元锂离子电池的220wh/kg的水平。虽然三元锂离子电池有报道做到250wh/kg以上的，但往往是以牺牲安全性和寿命为代价的。

通常的锂硫电池的正极活性物质是硫，负极是金属锂。放电时，负极的金属锂失去电子变成锂离子，正极的单质硫得到电子变成硫离子；负极的放电产物锂离子迁移至正极并与正极放电产物硫离子结合形成最终产物Li₂S.充电时，正极的放电产物Li₂S失去电子变成单质硫和锂离子，锂离子迁移到负极得到电子形成金属锂。

锂硫电池目前尚未成熟，还没有形成产业化。鉴于锂硫电池的巨大潜在优势，正引起越来越大的关注和研究开发热情，技术进步明显，离规模化应用越来越近。在技术上，锂硫电池面临如下的挑战：1）单质硫和放电产物Li₂S都是导电性很差的材料；2）正极放电产物Li₂S在电解液中的溶解导致的“穿梭反应”，带来自放电过大和寿命的显著下降；3）充电时锂离子在负极形成金属锂时容易形成枝晶，带来安全性隐患和寿命的显著下降。解决电极活性材料导电性差的办法目前采用将活性物质硫纳米化并均匀分散在导电性好的导电材料上。现在人们普遍选用的导电材料为碳纳米管或者石墨烯。应对Li₂S在电解液中的溶解导致的“穿梭反应”的办法目前主要是采用两种导电盐，其中一种为LiNO₃，主要作用是抑制Li₂S的溶解，从而抑制“穿梭反应”。至于防止枝晶的办法，目前人们主要从两个方向着手：其一是负极金属锂表面被覆一层聚合物电解质薄膜，阻止金属锂与电解液的直接接触；其二是在负极表面涂覆一层石墨烯或者碳纳米管薄层。

现行的锂硫电池技术方案存在这样的严重不足：由于采用单质硫作为正极活性物质、金属锂作为负极活性物质，而金属锂是极为活泼的物质，与水、氧气都发生剧烈反应，所以电池组装时必须在严格的无水、无氧（甚至无氮）的惰性气体环境中进行。这带来产业化的极大不便，也显著增大了制造成本。

本发明即是针对现有技术的存在的问题和不足，提出一个与现有技术不同的新的锂硫电池技术方案。

发明内容

本发明的技术方案是：提出一种新型的锂硫二次电池，主要由正极、负极、隔膜构成，其特征是：所述的正极的活性物质是Li₂S。

本发明的锂硫二次电池中，正极主要由活性物质Li₂S、导电材料和集流体构成，活性物质Li₂S均匀弥散在导电材料构成的导电网络中。为了更好克服Li₂S及后续的充电产物单质硫导电性差的缺陷，最好是将Li₂S以纳米形态均匀分散在由导电材料构成的导电网络中。