[发明专利]锂硫电池正极的粘结剂、硫正极浆料、硫正极及制备方法

说明书

本申请公开了一种锂硫电池正极的粘结剂、硫正极浆料、硫正极及制备方法。本申请的粘结剂，由壳聚糖硫酸酯和对甲酰基苯硼酸的醛胺缩合反应产物与多羟基醇通过硼酸配位交联而成。本申请粘结剂为水性粘结剂，更安全环保；并且，本申请粘结剂对锂多硫化物有非常强的吸附能力，能很好抑制硫正极中的穿梭效应，提升硫正极材料结构稳定性。本申请粘结剂可在硫碳复合物界面上形成超分子结构网络聚合物层，更好发挥粘结剂性能，提高吸附能力，使得锂硫电池在循环过程中更稳定的发挥活性材料的电化学性能。本申请粘结剂能在提高硫负载量情况下依然稳固电极整体结构，提高电池能量密度、循环稳定性和循环寿命，从而提高硫正极和锂硫电池的整体电化学性能。

技术领域

本申请涉及锂硫电池领域，特别是涉及一种锂硫电池正极的粘结剂、硫正极浆料、硫正极及制备方法。

背景技术

基于正极插层材料和石墨负极的锂离子电池已被广泛应用，并推动了可携带式电子设备、混合动力电动车等一系列设备的推广和发展。近十年以来，锂电池体系中理论能量密度很高的锂硫电池开始逐渐受到研究人员的广泛关注。硫正极的质量比容量和体积能量密度分别为1675mAh g^-1和2800Wh L^-1，数倍于目前一些已商业化的正极材料，如钴酸锂、磷酸铁锂等。然而，虽然其在能量密度上有巨大优势，硫正极的产业化发展和应用还有许多问题需要解决。在锂硫电池充放电过程中，硫活性材料还原产生的锂多硫化物会在电解液中溶解、扩散，产生所谓的“穿梭效应”，导致活性材料的不断流失和库伦效率的衰减。此外，硫正极中氧化还原终产物硫和硫化锂的电导率也很低，一旦失去与导电剂的连接便会失去电化学活性。从单质硫还原到锂多硫化物，并再进一步还原到硫化锂的固-液-固相变化过程也对硫正极造成了剧烈的结构性冲击，使电极的容量迅速降低，循环寿命缩短。

面对这些问题，粘结剂成为了提高硫正极电化学性能的一个关键要素。粘结剂在锂电池的电极材料中扮演着非常重要角色，它将活性材料和导电剂粘结起来，并紧紧地粘附在集流体上，有效地提升电极的电化学性能和结构稳定性。在电极的充放电过程中，粘结剂需要保护电极的稳定性和电极结构内部离子、电子传导的通畅性，以不断、持续地进行能量的储存和释放。此外，带有不同官能团的粘结剂通过其特殊的功能基团与活性物质相互作用，可以显著改善电极的电化学性能。传统上，锂硫电池的正极粘结剂一般选用聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)，这种粘结剂具备基本的粘结性能和较宽的电化学窗口。然而，聚偏氟乙烯的非功能化链段结构难以抑制锂硫电池硫正极在充放电过程中出现的穿梭效应。并且，基于聚偏氟乙烯的锂硫电池在制备浆料、涂覆干燥中需要使用并消耗大量的毒性有机溶剂，如N-甲基吡咯烷酮。此外，因为聚偏氟乙烯力学强度和粘结性能都偏弱，无法适应硫正极在高能量密度下的高活性材料负载量，这也导致了锂硫电池的能量密度优势无法得到发挥，难以实现进一步产业发展。

发明内容

本申请的目的是提供一种新的用于锂硫电池正极的粘结剂、硫正极浆料、硫正极及制备方法。

本申请采用了以下技术方案：

本申请的第一方面公开了一种锂硫电池正极的粘结剂，其由壳聚糖硫酸酯和对甲酰基苯硼酸的醛胺缩合反应产物与多羟基醇通过硼酸配位交联而成。