[发明专利]一种分级结构自支撑锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种分级结构自支撑锂硫电池正极材料及其制备方法。该制备方法包括：将以葡萄糖、氢氧化钾、红磷、乙酸镍配制的粘稠状前驱体均匀涂覆于碳纸基底上并烘干定型和高温煅烧，制得碳纤维支撑多孔碳且多孔碳表面弥散分布着细小镍磷化合物纳米颗粒的三维分级结构导电载体；最后将活性硫与导电载体热熔复合，获得分级结构自支撑锂硫电池正极材料。该种锂硫电池正极材料不仅无需使用集流体、导电剂和粘结剂，而且能够实现硫的高负载、高效抑制多硫化物溶解穿梭和缓解电极体积膨胀，因此基于该正极材料组装的电池表现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种分级结构自支撑锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

社会发展日新月异，能源需求急剧提高，然而化石燃料却逐渐枯竭并且其使用过程中会对环境产生较大的破坏，因此开发清洁新能源及发展高效储能技术的需求越来越迫切。锂离子电池由于其较高的比能量和良好的循环性能而受到广泛关注，并已在各类储能示范工程中广泛应用，但其能量密度较难突破300Wh kg^-1，因此限制了其在纯电动、混合动力等交通工具方面的大规模应用。因此亟需开发新一代能量密度高、循环寿命长、安全性能好、成本低廉的电池体系。

锂硫电池是一种以硫为正极活性物质，金属锂为负极的新型二次电池，拥有高达1675mAh g^-1和2600Wh kg^-1的理论比容量和比能量，相当于目前商用锂离子电池的数倍，并且硫具有储量丰富、环境友好、价格低廉等优点，因此锂硫电池被认为是最具开发潜力的新一代高能量密度储能体系之一。

然而，锂硫电池仍面临硫和放电终产物导电性差，可溶性中间产物(多硫化物)的溶解穿梭以及充放电电极体积膨胀等造成了活性物质利用率低、容量迅速衰减、电极结构破坏等问题，严重阻碍了其产业化应用。

硫正极材料是影响锂硫电池性能的最关键因素，改善硫正极材料组成与结构是解决上述锂硫电池存在众多问题的最主要策略。硫正极材料设计和研发的主要思路是将硫与其他导电载体复合来改善其电子/离子传导性，并在一定程度限制多硫离子扩散、缓冲充放电时电极体积变化及提升反应动力学。硫的载体材料主要包括碳材料、导电聚合物、金属氧化物及其他载体材料。多孔碳材料具有质轻、导电性高、比表面积大、孔容高、稳定性好等优点，将硫与多孔碳复合不仅很大程度上克服了硫及放电产物导电性差的问题，其可调节的孔道结构还具有物理限制多硫化物的迁移和穿梭的作用，同时还能适应循环过程中电极体积膨胀收缩问题，因此，多孔碳被认为是活性硫的最佳载体。

近年来，研究人员发现金属磷化物对可溶性多硫化物具有化学吸附和催化转化双重作用，利用化学吸附作用将多硫化物牢牢固定，再利用其催化活性促进多硫化物高效转化，从而实现多硫化物在电极材料表面平稳的“诱捕-扩散-催化转化”过程，能够高效解决锂硫电池穿梭效应问题。

目前，绝大多数锂硫电池正极材料均为粉体形式，组装电池时需要与导电剂(Super-P等)和粘结剂(PVDF等)混合并涂覆于集流体上，保证活性材料与集流体的良好接触。然而，导电剂、粘结剂和集流体在电池中并不贡献容量，从而造成电池整体能量密度降低，同时使用电化学惰性的粘结剂还会引发不良副反应，掩盖反应活性位点，增大电极内阻，从而降低了活性硫利用率和电子/离子的动力学性能。因此，对传统正极材料的结构进行优化与革新，采用活性材料与柔性集流体一体化设计，无需使用导电剂和粘结剂，发展新型自支撑硫正极材料已成为国内外学者关注的焦点。

发明内容