[发明专利]高活性物质含量的锂硫电池正极复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高活性物质含量的锂硫电池正极及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将过渡金属源均匀分散在基液中，再加入硫源于50～60℃加热至硫源溶解，得到溶液A，将溶液A与液体B混合至均匀，得到悬浮液C；将悬浮液C于120～220℃反应10～20h，抽滤，洗涤，烘干，得到固体粉末为锂硫电池正极复合材料。将锂硫电池正极复合材料和单质硫混合，再加入碳纳米管分散液作为导电添加剂，混合均匀，得到浆料，将浆料涂敷于铝箔上，烘干，得到极片。本发明可以率先实现活性物质含量高达90％的锂硫电池，远超于现阶段所有的锂硫电池，并接近商用锂离子电池的活性物质含量，由此极大的提高了锂硫体系的比能量密度。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体来说涉及一种高活性物质含量的锂硫电池正极及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类的发展和科技的进步，环境危机日益严重，迫切需要高能量密度、安全、经济的高效储能技术来满足人们对于新能源的需求。锂硫电池具有超级高的理论能量密度(2500Wh·kg^-1)，是传统锂离子电池(250Wh·kg^-1)的10倍，成为最有潜力的新一代储能体系。

然而，锂硫电池在发展过程中面临着许多挑战：电池在充放电过程中多硫化物(LiPSs)溶解及穿梭效应，会造成活性物质不可逆的损失，导致硫利用率大大降低；由于活性物质硫在反应过程中溶解又析出，导致极片体积膨胀，严重影响电池的循环寿命。从应用角度，现阶段多部分研究成果中硫正极的载量较低(5mg·cm^-2)，非活性物质占过大(≥30％)，电解液添加量过多(≥10μL mg^-1)，并且匹配的锂金属负极容量过大，极大的限制了锂硫电池高能量密度的实现。

针对上述问题，人们进行了大量的探索。有研究者使用多孔碳质材料，例如多孔碳、碳纳米管、石墨烯材料等来提供导电框架，约束多硫化物，这种结构有利于提高复合材料的电导率，缓解硫在充放电过程中的体积变化，并且物理吸附反应过程中生成的多硫化物，利用氧化物、硫化物、氮化物等为催化剂进行反应界面调控，抑制多硫化物的流失，减缓其穿梭效应。然而，这些体系中采用的导电炭黑及催化剂均不具有电化学活性，会增加体系中非活性物质比例(通常非活性物质占比≥30％)，导致电池实际能量密度低，不利于高比能量电池的实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高活性物质含量的锂硫电池正极复合材料的制备方法。该制备方法利用自身比容量较高的(VS₄，CoS₂等)同时作为活性物质、催化剂及导电基体构建锂硫电池的正极。锂硫电池正极复合材料导电性好，在锂硫电池工作的电压区间(1.5～2.7V)内，自身具有较高的可逆循环容量、体积变化率低、无可溶性中间产物生成，且循环稳定性优良和倍率性能较好，更重要的是，这些金属硫化物可以通过物理吸附、化学催化等多方面与多硫化物作用，促进锂硫电池核心反应机制，抑制穿梭效应，提高活性物质利用率，提高电池的综合性能。

本发明的另一目的是提供基于锂硫电池正极复合材料制备极片的方法，该极片利用碳纳米管作为导电骨架，并替代粘合剂，可以实现高负载量(5mg·cm^-2)、高比例活性物质(～90％)的高性能锂硫电池。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种高活性物质含量的锂硫电池正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将过渡金属源均匀分散在基液中，再加入硫源于50～60℃加热至硫源溶解，得到溶液A，其中，所述过渡金属源为钒源或钴源，按物质的量计，所述过渡金属源中钒元素或钴元素与所述硫源中硫元素的比为1：(5～40)；

在所述步骤1)中，所述溶液A中硫元素的浓度为42～178mg·ml^-1。

在所述步骤1)中，所述硫源包括硫代乙酰胺和/或硫脲。