[发明专利]固态锂硫电池的正极改进设计及相关制备方法

说明书

本发明涉及固态锂硫电池的正极改进设计及相关制备方法。一种锂硫电池包括：衬底；在衬底上的硫正极；在正极上的涂覆层；在所述涂层上的第一中间层；在第一中间层上的固态电解质；在所述电解质上的第二中间层；以及在第二中间层上的金属锂负极，以使得所述涂覆层均匀地涂覆在所述正极的孔内。

技术领域

本文公开了固态锂硫电池的正极设计及相关制备方法。

背景技术

锂硫二次电池是正负极材料分别采用活性物质硫和金属锂的一类新型可逆电池。当发生电化学反应时，在每个硫原子上会进行两个电子的转移，按照硫正极计算，电池的比容量和能量密度理论上可以达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于现有的以过渡金属氧化物为正极的锂离子电池。并且，硫资源在地壳中储藏量丰富、成本低、对环境友好，因此，锂硫电池被认为是下一代新型储能系统的有力竞争者。

然而，尽管锂硫电池优点突出，但其开发应用仍面临许多技术挑战，其中制约其发展的最主要因素有：(1)活性物质硫及其放电产物硫化锂均是离子和电子的高度绝缘材料，因此在制备正极时需要添加导电剂以增强其导电性，这势必会降低锂硫电池的能量密度；(2)锂硫电池在放电过程中存在中间产物多硫化锂，多硫化锂能够溶解在电解液中发生穿梭效应，与负极直接反应造成金属锂的腐蚀、活性物质的损失以及电池过充等问题，“穿梭效应”是导致电池库伦效率低和容量衰减的最主要原因。

本文公开了一种固态锂硫电池的正极改进型设计及相关合成制备方法。

发明内容

具体来讲，所设计的锂硫电池内部包括：衬底、衬底上的硫正极、硫正极上的包覆层、包覆层上面的第一层中间层、第一层中间层上的固态电解质、固态电解质上的第二中间层、第二中间层上的金属锂片，其中包覆层均匀涂覆在正极孔洞内，与衬底直接接触。

一方面，与其他实例相结合，包覆层至少包括下列列举的一种材料：多硫化碳(CS)、聚乙烯氧化物(PEO)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)、聚(3,4-二氧乙撑噻吩)(PEDOT)、硫化聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸(PAA)、聚烯丙胺盐酸盐(PAH)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-co-HFP))、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚(二烯丙基二甲基铵)双(三氟甲基磺酰亚胺)酰亚胺(TFSI)(PDDATFSI)或其组合。

一方面，与其他实例相结合，涂覆层中至少包括下列列举的一种锂盐：双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐(LiN(CF3SO2)2)(LiTFSI)、高氯酸锂、双(草酸盐)硼酸锂(LiBOB)、双(氟磺酰)亚胺锂(LiFSI)、三氟甲烷磺酸锂(LiCF3SO3)(LiTf)、双锂(三氟甲烷磺酰胺)(Li(C2F5SO2)2N)(LiBETI)或其组合。

一方面，与其他实例相结合，包覆层元素至少包括：氮、碳、钴、钛、钽、钨及其组合。

一方面，与其他实例相结合，包覆层中包含碳-氮-钴(N-C-Co)复合材料。

一方面，与其他实例相结合，包覆层中包含聚氧化乙烯以及LiTFSI、LiTf、LiBETI和N-C-Co复合材料中的至少一种。

一方面，与其他实例相结合，N-C-Co复合材料包含正十二面体形貌和直径在10-50nm中的至少一个尺寸。

一方面，与其他实例相结合，N-C-Co复合材料含有介孔结构且比表面积范围为100-300m²/g。

一方面，与其他实例相结合，硫正极及涂覆层的总厚度小于200μm。