[发明专利]一种正极活性材料及其制备方法、电池正极和锂硫电池

说明书

为克服现有锂硫电池正极存在循环性能差的问题，本发明提供了一种正极活性材料，包括多孔碳载体、硫和聚多巴胺层，所述多孔碳载体的外表面和孔洞表面形成有亲水基团，所述硫负载于所述多孔碳载体的外表面和孔洞内部以形成复合材料，所述聚多巴胺层包覆于所述复合材料的表面。同时，本发明还公开了上述正极活性材料的制备方法、电池正极和锂硫电池。本发明提供的正极活性材料具有较高的电导率和稳定性，提高电池循环性能。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种正极活性材料及其制备方法、电池正极和锂硫电池。

背景技术

随着人类社会的发展，环境问题以及能源危机已经越来越受到研究者的专注，发展清洁能源是一件刻不容缓的事业。锂电池由于其较少的污染及无记忆效应和较高的能量密度受到人们的关注，如今已经应用在新能源汽车等诸多领域。然而在现有体系下，其能量密度已接近上限，就新能源车而言，意味着续航里程受到限制，因此发展更高能量密度的储能器件已成为迫切的需求。锂硫电池由于其超高的能量密度(理论为2600Wh/kg)，且原料硫来源广泛且无污染受到研究者们的关注。锂硫电池已经出世几十年，然而并没有可大批量生产及产业化应用的产品问世。其中原因主要有以下几点：硫的不导电性，在充放电过程中的穿梭效应及体积巨大变化造成的容量急剧衰减，金属锂负极的枝晶等问题限制了其实际应用。自Lindar Nazar于2009年提出多孔碳材料对于锂硫电池性能有明显改善起，用多孔碳来负载硫成为提升锂硫电池性能的重要途径。由于多孔碳对于构筑电极内部的导电网络、促进活性物质与电极的接触、限制多硫化物扩散有重要作用，已被大连化物所，防化所，金属所的相关科研工作者应用在锂硫电池上，并取得不错的结果。但是单纯采用碳材料来负载硫来实现长寿命硫正极是远远不够的，在众多的解决硫正极循环方案中如N掺杂，金属氧化物，硫化物等对循环效果的提升有限。

现有一种锂硫电池的正极，通过将聚多巴胺高分子包覆在多级孔石墨化碳负载硫的复合物上，以改善硫正极的循环性能，然而聚多巴胺与碳的结合力较差，需要在多巴胺溶液中额外加入氧化石墨烯，通过氧化石墨烯与聚多巴胺的化学交联作用形成备类似贝壳结构提高结构稳定性，否则易导致聚多巴胺在多次充放电循环过程中脱落，影响电池循环性能。

发明内容

针对现有锂硫电池正极存在循环性能差的问题，本发明提供了一种正极活性材料及其制备方法、电池正极和锂硫电池。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种正极活性材料，包括多孔碳载体、硫和聚多巴胺层，所述多孔碳载体的外表面和孔洞表面形成有亲水基团，所述硫负载于所述多孔碳载体的外表面和孔洞内部以形成复合材料，所述聚多巴胺层包覆于所述复合材料的表面。

可选的，所述亲水官能团包括-CHO、-OH和-COO^-中的一种或多种。

可选的，所述多孔碳载体为石墨烯多孔碳材料。

可选的，所述多孔碳载体的比表面积为375～2400m²/g，孔体积为 0.53～2.24cm³/g。

可选的，所述多孔碳载体为颗粒状，所述多孔碳载体的粒径为0.5～10um。

可选的，所述多孔碳载体包括孔径小于2nm的微孔，孔径2～50nm的介孔和孔径50～100nm的大孔。

可选的，所述多孔碳载体和所述硫的质量比为10～45：55～90。

可选的，所述聚多巴胺层的厚度为2～20nm。

另一方面，本发明提供了如上所述的正极活性材料的制备方法，包括以下操作步骤：

将多孔碳载体置于碱液中进行处理后干燥；

多孔碳载体和硫进行混合，加热使硫渗入至所述多孔碳载体的外表面和孔洞内部；