[发明专利]锂硫电池正极复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂硫电池正极复合材料，包括基体层，包覆所述基体层的碳层，以及位于基体层中的芯层。本发明还提供了上述锂硫电池正极复合材料的制备方法。本发明所提供的锂硫电池正极复合材料，在基体层外包覆导电碳层，在基体层中填充芯层，同时利用了基体层的一维管道的物理限制作用和化学成分的吸附作用，解决了现有技术中，锂硫电池硫正极充放电过程中生成的中间产物多硫离子的穿梭效应，会使电池容量、循环保持率较低，整体电化学性能低的问题。基体层为埃洛石层，不仅可以从物理限制和化学吸附两方面抑制多硫离子穿梭，埃洛石作为廉价的天然矿物，使用其作为基体还可以降低正极的成本，利于推广应用。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及锂硫电池正极复合材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源汽车和移动电子设备的飞速发展，迫切需要能量密度更高的电池。在新能源体系中，锂硫电池以其高理论比能量(2600W·h/kg)、单质硫廉价和环境友好等特性，成为下一代最具发展潜力的二次电池体系之一。

典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极。然而，锂硫电池主要存在三个问题：(1)单质硫和放电产物硫化锂作为不导电或低导电的物质，导电性非常差；(2)硫在充放电过程中，体积会扩大和缩小，有可能导致电池损坏；(3)中间产物多硫化锂的穿梭效应，即在充放电过程中，正极产生的多硫化物(Li₂Sx)中间体溶解到电解液中，并穿过隔膜，向负极扩散，与负极的金属锂直接发生反应，最终造成了电池中有效物质的不可逆损失，电池寿命的衰减，以及低的库伦效率。上述三个问题，尤其是中间产物多硫化锂的穿梭效应，阻碍了锂硫电池的商业化。为解决该问题，现有技术主要从物理限制和化学吸附两方面入手。物理限制方面，主要是在正极用高比表面积的具有孔结构的载体(如石墨烯、碳管等)对硫和多硫化物进行物理吸附和禁锢；化学吸附方面，主要是进一步对载体进行化学修饰，修饰活性位点，以实现化学吸附。

如CN107403916A公开了一种以石墨烯导电网络约束多硫化锂的锂硫电池用正极材料，该正极材料由石墨烯微片、多硫化锂粉末、聚酰亚胺溶液和有机碳源水溶液制得，该发明的石墨烯微片具有分散性好和电导率高的特点，改性后有利于降低石墨烯片层之间的再堆叠。石墨烯微片与有机碳源水溶液混合碳化后能阻碍生成的多硫化物溶解于电解液中，有利于提高正极的导电性和多硫化锂的固定，既提高了电极的循环次数，也提高了电极的倍率特性。CN103490027B公开了一种锂-硫电池用隔膜及其制备方法，该锂-硫电池用隔膜由普通电池隔膜与其上负载的多孔阻挡层构成，多孔阻挡层可以允许锂离子通过，但对硫正极在充放电过程中形成的多硫化锂中间体有阻挡和吸附作用，从而可将活性物质硫限制在正极一侧，防止硫正极因循环过程中形成的多硫化锂中间体溶于电解液发生不可逆容量衰减，提高硫正极的循环性能。同时，所述隔膜还能减弱多硫化物向锂负极的穿梭效应，防止电池循环过程中在锂负极表面形成含硫钝化层，提高锂负极的循环性能。该发明还公开了使用该隔膜的锂-硫电池，该发明所述锂-硫电池用隔膜制备方法简单，原料易得，适宜大规模生产。然而，现有的技术仍然没有妥善的解决中间产物多硫化锂的穿梭效应问题。

发明内容

为解决现有技术中，锂硫电池中硫正极中间产物多硫化锂的穿梭效应，导致电池比容量、循环保持率较低，整体电化学性能低的问题，本发明的目的之一是提供一种锂硫电池正极复合材料。

本发明的目的之二是提供上述锂硫电池正极复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

锂硫电池正极复合材料，包括基体层，包覆所述基体层的碳层，以及位于所述基体层中的芯层。

优选地，所述基体层为埃洛石。

优选地，所述芯层为硫单质层。

上述锂硫电池正极复合材料的制备方法，步骤包括：

(1)将所述基体层用酸浸提后热处理；