[发明专利]一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极及其制备方法

说明书

本发明涉及化学电源技术领域，尤其涉及一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极及其制备方法。针对锂硫电池中存在的实现高硫载量正极结构的困难，本发明的技术方案是：包括铝箔集流体和其表面的涂覆层，涂覆层的组成包括表面附着有一维纳米碳材料的短碳纤维丝、硫碳复合物和粘结剂。涂覆层中短碳纤维丝随机相互搭接形成三维无序网络结构。所述正极的制备方法是：首先在短碳纤维丝表面生长一维纳米碳材料，再将附着有一维纳米碳材料的短碳纤维丝、硫碳复合物、粘结剂以及溶剂球磨混合，制备电极浆料，最后将电极浆料涂覆于铝箔集流体上。本发明适用于锂硫电池的生产。

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，尤其涉及一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极及其制备方法。

背景技术

锂硫电池具有很高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)，是目前最具发展潜力的电化学储能器件之一。但是，锂硫电池商用化却面临着诸多问题和挑战。锂硫电池在充放电过程中会产生一系列溶于电解液的多硫离子，这些多硫离子通过扩散穿过隔膜产生穿梭效应，导致活性物质流失和负极腐蚀问题，使锂硫电池的循环寿命大大降低。此外，锂硫电池具有较低的放电平台(2.1V vs Li⁺/Li)，要发挥其高能量密度的优势，单位面积硫载量要在4mg/cm²以上，才能超越现有锂离子电池4mAh/cm²的水平。然而，以传统的铝箔为集流体的高硫载量正极存在两大问题：其一，高硫载量正极涂布容易造成涂覆层开裂掉粉的情况，并且在充放电过程中硫正极存在80％的体积变化，易造成正极结构坍塌或活性物质从集流体脱落，影响电池性能；其二，高硫载量正极使得载体材料对硫的吸附作用明显降低，会导致更低的容量发挥、更严重的“穿梭效应”、更快的容量衰减速率等。因此，如何实现高硫载量正极结构的完整性，并保持优异的电化学性能是高比能量锂硫电池发展过程中面临的巨大挑战。

目前，人们为了提高硫载量进行了很多三维集流体的尝试，包括泡沫铝、泡沫镍、碳纳米管纸、碳纤维类材料、石墨烯气凝胶和石墨烯泡沫等。大多数研究集中在提高正极硫载量上，然而忽略整体电池的能量密度，并且高硫载量下电池的电化学性能并未得到明显改善。中国专利[申请号：201610388144.8]提出了一种松针状碳纳米管/碳纤维导电网络复合碳材料，以碳纤维织物作为基底生长高密度排列的碳纳米管以提供更多的活性位点，将其作为硫的负载体，并对该材料在锂硫电池中的应用进行展望。但是，碳纤维织物是由长碳纤维丝编织成型的三维网络基体，碳纤维丝成束状存在，一部分碳纤维丝被另一部分碳纤维丝包裹或者覆盖，造成单位空间内碳纤维丝占据空间比例过高，当作为锂硫电池碳骨架材料使用时，可填充硫的空间以及与多硫化锂中间产物接触相对较少，导致硫碳比例难以提高，硫的利用率较低，最终不利于锂硫电池体积能量密度和质量能量密度的发挥。

发明内容

针对上述锂硫电池中存在的实现高硫载量正极结构的困难，本发明提供一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极，其目的在于：有效提高锂硫电池正极中的硫载量，并且抑制穿梭效应，使得锂硫电池电化学性能得到明显提升。

本发明的另一目的是提供一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极的制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种含有短碳纤维丝的锂硫电池正极，包括铝箔集流体及铝箔集流体表面的涂覆层，所述涂覆层包括表面附着有一维纳米碳材料的短碳纤维丝、硫碳复合物和粘结剂。

优选的，一维纳米碳材料为碳纳米管或纳米碳纤维中的一种或两种的组合。