[发明专利]自支撑锂硫电池正极片、其制备方法以及锂硫电池

说明书

一种自支撑锂硫电池正极片，所述自支撑锂硫电池正极片包括碳载体、硫化锂以及过渡金属硫化物，所述硫化锂以及所述过渡金属硫化物位于所述碳载体的表面和/或所述碳载体的内部；所述硫化锂与所述过渡金属硫化物在微观结构上接触。本申请还提供一种自支撑锂硫电池正极片的制备方法，以及包括所述自支撑锂硫电池正极片的锂硫电池。

技术领域

本申请涉及电化学储能领域，尤其涉及一种自支撑锂硫电池正极片、其制备方法以及锂硫电池。

背景技术

锂硫电池由于其高能量密度(2600wh·kg^-1，1675mAh·g^-1)以及活性物质分布广泛，价格低廉，无毒害且绿色环保等优点而受到人们的广泛关注。

传统锂硫电池采用单质硫作为正极活性物质，存在严重的“多硫化物穿梭”效应，会造成电池容量的快速衰减，同时锂硫电池需要搭配金属锂负极使用，带来了电池在使用过程中的安全隐患。为了提高电池的安全性，人们开始研究使用完全嵌锂状态的硫化锂材料作为电池正极材料，匹配石墨、硅、锡等负极材料，制备更加安全、高性能的锂硫电池。但是硫化锂正极材料普遍存在较高的激活势垒，需要把电池充到高截止电位才能将其激活，并且“穿梭效应”依然严重，可以采用添加催化剂的策略，降低硫化锂的激活势垒，催化多硫化物之间的相互转化，从而抑制“穿梭效应”，提高活性物质利用率。但催化剂与活性物质之间微观上不充分的界面接触，导致催化剂也很难发挥其功效，如何保证活性物质与催化剂之间的有效接触，是提高催化剂作用效果的关键。另外，从储能体系的能量密度角度考虑，常用的集流体质量占据极片质量的60％以上，增加了电池的质量，降低的电池的质量能量密度。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种在微观结构上催化剂与硫化锂正极材料紧密接触的自支撑锂硫电池正极片，以解决上述问题。

另，还有必要提供一种所述自支撑锂硫电池正极片的制备方法。

另，还有必要提供一种包括所述自支撑锂硫电池正极片的锂硫电池。

一种自支撑锂硫电池正极片，所述自支撑锂硫电池正极片包括碳载体、硫化锂以及过渡金属硫化物，所述硫化锂以及所述过渡金属硫化物位于所述碳载体的表面和/或所述碳载体的内部；所述硫化锂与所述过渡金属硫化物在微观结构上接触。

进一步地，所述碳载体占所述自支撑锂硫电池正极片总质量的30％-60％；所述硫化锂占所述自支撑锂硫电池正极片总质量的35％-65％；所述过渡金属硫化物占所述自支撑锂硫电池正极片总质量的5％-10％。

进一步地，所述碳载体包括石墨烯以及碳纳米管。

进一步地，所述过渡金属硫化物包括硫化镍、硫化钴、硫化铁、硫化钼、硫化钛、硫化钒、硫化镉、硫化锰、硫化铜、硫化锌以及硫化钌中的至少一种。

进一步地，所述自支撑锂硫电池正极片的电导率为2.5S/m-50S/m；所述自支撑锂硫电池正极片的比表面积为50cm²g^-1-1000cm²g^-1；所述自支撑锂硫电池正极片的厚度为1μm-20μm。

一种自支撑锂硫电池正极片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

将硫酸锂与过渡金属硫酸盐加入第一溶剂中，得到前驱体液；

提供氧化石墨烯以及高分子聚合物，将所述氧化石墨烯以及所述高分子聚合物加入第二溶剂中，得到分散液；

混合所述前驱体液、所述分散液以及第三溶剂，其中，所述硫酸锂与所述过渡金属硫酸盐不溶或难溶于所述第三溶剂，所述硫酸锂与所述过渡金属硫酸盐结晶，然后进行干燥处理，得到前驱体膜层；以及

烧结所述前驱体膜层，得到所述自支撑锂硫电池正极片。

进一步地，所述分散液中还包括碳纳米管。