[发明专利]一种锂硫电池硫电极的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池硫电极的制备方法，属于锂硫电池技术领域。该制备方法为：首先制备石墨烯层/隔膜基底，然后在石墨烯层/隔膜基底上通过静电喷涂法喷涂碳/硫复合材料层和石墨烯层，即得到三层结构的硫电极，与传统的“涂覆+烘干”的方法相比，本发明方法有效避免了在高负载量、厚电极情况下的电极活性物质易脱落的问题，从而保证了电极的完整性，提高电极整体的能量密度，同时，避免了传统金属集流体的使用；且本发明方法制备的硫电极制作锂硫电池具有较高的面容量和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池硫电极的制备方法及应用；

背景技术

锂离子电池在高效的储能系统中，如能源工业、消费电子产业等有着广泛的应用，但随着社会的发展，传统的锂离子电池已难以满足当今社会对于储能系统越来越高的需求。寻找新的高容量的电极材料，获得高比能量储能系统是当今能源存储和利用的关键。

以硫作为正极和金属锂作为负极的锂硫电池，通过两者之间的电化学转化反应，体现出高达2600W h kg^-1的理论比能量，远超传统锂离子电池，且正极材料硫自然界储量丰富、来源广泛、价格便宜、环境友好，被认为是理想的下一代二次电池。经过多年的科研和产业探索，锂硫电池的容量、效率和稳定性的提升方面均取得长足的进步，但仍然面临诸多问题。首先，硫及其放电产物硫化锂的锂离子及电子传导能力差，因此，在充放电过程中，需要活性物质均匀的负载在导电性的基底上，同时保证顺畅的锂离子传输和反应通道；其次，充放电过程中产生的多硫化物易造成严重的“穿梭效应”，即活性物质硫在放电过程中产生的长链多硫化物穿过电池隔膜与负极的锂发生反应，在锂表面产生短链的多硫化物Li₂S和Li₂S₂沉淀，造成活性物质利用率下降，库伦效率变低；第三，目前锂硫电池正极的硫负载量处于相对较低的水平，即正极材料中的硫含量低于70wt％，面负载量低于2mg cm^-2，这导致锂硫电池的面容量(2mAh cm^-2)远低于目前商业锂离子电池的面容量(4mAh cm^-2)。为了提升锂硫电池正极的能量密度，需要进一步增大硫负载量。然而，增大硫负载量往往会导致下列问题：(1)随着含硫活性物质厚度的增加，离子扩散和电子传递过程受到的阻力增大，从而导致硫的利用率下降，锂硫电池正极的倍率性能和循环稳定性变差；(2)由于内部的含硫活性物质不能被充分利用，锂硫电池正极的体积比容量受到极大的限制。在利用传统的“涂覆+烘干”方法制备高负载锂硫电池电极的过程还存在锂硫电池电极的易开裂的问题。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种锂硫电池硫电极的制备方法，该方法操作简单，易工业化生产。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明中，为了书写方便，将石墨烯(graphene)简写为GN，相应地，涂覆于隔膜上的石墨烯层简写为GN-1，静电喷涂于极片上作为集流体的石墨烯层简写为GN-2；将利用碳材料作为电极活性物质载体制备的碳/硫复合材料层简写为C@S；因本领域制备二次电池常规使用的隔膜的材质为PP材料，故将本发明涉及的隔膜，简写为PP。

本发明通过静电喷涂法在石墨烯/隔膜基底上依次喷涂碳/硫复合材料层和石墨烯层，即得到锂硫电池硫电极；具体地，

一种锂硫电池硫电极的制备方法，包括如下步骤：

S1、将石墨烯浆料涂覆于隔膜上，烘干，得到石墨烯//隔膜基底，标记为GN-1//PP；

S2、通过静电喷涂法将碳/硫复合材料分散液喷涂于所述石墨烯/隔膜基底上，得到碳@硫复合材料层//石墨烯层-1//隔膜层，标记为C@S//GN-1//PP基底；