[发明专利]一种正极活性材料及其制备方法和锂电池

说明书

本发明涉及一种正极活性材料，其包括掺杂M_xO_y型氧化物的碳空心微球和填充于该空心微球中的硫粉。该正极活性材料可用于Li‑S电池正极材料，一方面，碳空心微球中的碳具有多孔结构有利于S的填充，使硫与C形成良好接触，提高S的导电率和利用率，另一方面，碳空心微球的空心结构有利于缓解S在充放电过程中的体积膨胀、提高电池的循环稳定性；又一方面，分布于碳空心微球中的极性M_xO_y氧化物能够以化学键的方式吸附多硫化锂，抑制穿梭效应，提高电池的库伦效率以及循环性能。本发明还涉及该正极活性材料的制备方法和包含该正极活性材料的锂电池。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种正极活性材料及其制备方法和锂电池。

背景技术

与基于锂离子脱嵌机理的传统二次电池相比，基于电子转化反应、采用单质硫或含硫材料作为正极活性材料的锂硫电池(Li-S电池)具有较高的能量密度，理论能量密度高达2600Wh/kg。此外，硫元素价格便宜、来源丰富以及对环境友好，是下一代高能量密度二次电池材料的首选。

然而，锂硫电池正极材料目前在应用中主要存在如下问题：(1)活性物质硫的电子导电性较差，硫的有效利用率低；(2)反应过程中产生的多硫化物在电解液中易溶解，产生穿梭效应，导致活性物质S的损失、电池库伦效率低及容量的迅速衰减；(3)硫在充放电循环过程中经历固-液-固的转变过程，体积变化较大，变化率达到80％，容易造成正极材料结构坍塌，粉化和从集流体上脱落。

针对解决上述问题(1)和(3)，通常的做法是将硫与导电性良好、具有高孔容、高比表面积的碳材料结合制备硫碳复合材料，使硫被包裹或分布于碳材料结构中，与碳形成良好的接触，同时碳的多孔性也利于多硫化物的物理吸附。但是该方法仍不能很好地解决硫的体积变化、以及增加硫与碳材料接触性的问题，更对上述技术问题(2)显得于事无补。

发明内容

(一)要解决的技术问题

解决上述问题，本发明提供一种正极活性材料，是将硫填充在掺杂M_xO_y型氧化物的碳空心微球中，一方面利用碳空心微球的碳材料，提升S的导电性，同时利用碳空心微球的空心结构特性，有效缓解S在充放电过程中的体积膨胀，从而改善Li-S电池的循环稳定性；另一方面，利用碳空心微球中的掺杂物M_xO_y的极性，金属原子或者非金属杂原子与多硫化锂形成化学键，对多硫化锂进行化学吸附，抑制穿梭效应，提高循环效率和硫基材料的利用率。

本发明还涉及该正极活性材料的制备方法和锂电池。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种正极活性材料，其包括：

掺杂M_xO_y型氧化物的碳空心微球，其中x为1或2，y为1～5的自然数；以及

填充于该空心微球中的硫粉。

根据本发明一个较佳实施方式，所述硫粉占所述正极活性合材料的质量百分比为60％～90％；所述M_xO_y型氧化物占所述正极活性材料的质量百分比为1％-20％；所述碳占所述正极活性材料的质量百分比为5～20％。

根据本发明一个较佳实施方式，该空心微球外径为1～30μm，内径为0.3～25μm，壁厚为0.3～10μm。