[发明专利]用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法

说明书

用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法。一种锂硫电池，包括：基底、设置于基底上的复合正极、设置于复合正极上的固态电解质、设置在固态电解质上的锂负极。其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。

技术领域

本发明涉及固态锂硫(Li-S)电池的复合正极及其制备方法。

背景技术

锂硫电池是替代传统锂离子电池的理想选择，因为其具有高能量、低成本和可规模化生产等优点。锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，其正极活性物质硫具有1675mAh/g的理论比容量，而且储量非常丰富且无环境污染。

尽管有上述优点，但是采用有机液体电解质的常规锂硫电池循环寿命较短，主要是因为在电池循环过程中，可溶性的多硫化物会溶解到电解液中，从而形成“穿梭效应”以及造成锂枝晶的生长。也就是说，在采用了有机电解液的锂硫电池体系中，电池放电过程中形成的长链多硫化物会溶解到电解液中，造成很多不希望发生的副反应，降低了电池的库伦效率，也导致正极活性物质的持续损失。另一方面，正极活性物质硫对于电子和离子都是绝缘的，因此需要在复合正极中加入大量的导电添加剂，从而显著降低了电池的实际容量(例如能量密度)和实用性。

本专利公开了一种用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法。

发明内容

在某些实施例中，一个锂硫电池包括：一片基底、设置在基底上的复合正极、设置在复合正极上的固态电解质以及设置在固态电解质上的金属锂负极，其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。

在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，电池还包括设置在复合正极上的涂覆层，其中涂覆层包含N-C-Co复合物。

在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，涂覆层还包括聚环氧乙烷(PEO)和LiTFSI、LiTf、LiBETI中的至少一个。

在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，固态电解质包含以下物质中的至少一种：Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)、Li₁₀GeP₂S₁₂、Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃、Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃、Li_0.55La_0.35TiO₃、相互交联的聚丙烯酸乙酯(ipn-PEA)电解质的聚合物网络、三维的陶瓷/聚合物网络、原位塑化的聚合物、具有排列良好的陶瓷纳米线的复合聚合物、PEO基固态电解质、柔性聚合物、聚离子液体、原位形成的Li₃PS₄、或其组合。

在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包括以下物质中的至少一种：Li₁₀GeP₂S₁₂、β-Li₃PS₄、Li_9.6P₃S₁₂、Li₃PS₄、Li₇P₃S₁₁。

在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包含一种x(Li₂S)–y(P₂S₅)电解质材料，其中x和y都大于1。