[发明专利]一种集流体及含有该集流体的锂硫电池正极片和锂硫电池

说明书

本发明提供了一种集流体，包括铝丝骨架和包覆于铝丝骨架上的碳层，所述碳层的厚度为2～50nm；所述碳层为聚丙烯腈在惰性气氛中经过250～450℃的热处理形成。本发明所述集流体含有碳层，能够使集流体与涂覆的浆料之间的粘接力增强，有助于高载量正极材料的涂覆，缓解高载量正极涂覆时容易掉粉的问题，接触电阻减小，有助于增强正极的倍率性能；碳层为聚丙烯腈经过250～450℃的热处理后形成的，碳层中仍保留有CN键，对于硫正极放电过程中产生的多硫化物具有吸附效果，有效提升正极的循环特性。本发明还提供了所述集流体的制备方法。本发明还提供了一种锂硫电池正极片。本发明还提供了一种锂硫电池。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种集流体及含有该集流体的锂硫电池正极片和锂硫电池。

背景技术

随着国家新能源产业的蓬勃发展，人们对续航里程的要求越来越高。传统锂离子电池由于其自身容量的限制，其能量密度已接近极限，因此对更高能量密度的下一代储能器件有着较高的关注。锂硫电池由于其超高的理论能量密度(2600Wh·kg^-1)且原材料成本低，环境适应性好等优点引起了研究者们的广泛关注。但是，锂硫电池也面临着诸多挑战：硫导电性差，反应中间产物多硫化物易溶解于电解液并产生穿梭效应，这些问题已经有很多方法来改进提升。除此以外，在面向商业化应用过程中，高载量高硫占比的硫正极更具实际意义，一般来说，由于目前商业化铝箔集流体的局限性如高载量时电子传输速率将会降低且极片较厚时容易脱粉等问题，随着硫载量的提升，硫正极的倍率性能及容量发挥将会随之下降。而市场上已经出现的Al泡沫集流体也存在在浆料涂覆时，与其的接触性不好等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种集流体及含有该集流体的锂硫电池正极片及锂硫电池。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种集流体，包括铝丝骨架和包覆于铝丝骨架上的碳层，所述碳层的厚度为2～50nm；所述碳层为聚丙烯腈在惰性气氛中经过250～450℃的热处理形成。

本发明所述集流体采用包覆有碳层的铝丝骨架，为三维网状结构，碳层能够使集流体与涂覆的浆料之间的粘接力增强，尤其适用于锂硫电池的正极集流体，有助于高载量正极材料的涂覆，缓解高载量正极涂覆时容易掉粉的问题，接触电阻减小，有助于增强正极的倍率性能。碳层为聚丙烯腈经过250～450℃的热处理后形成的，碳层中仍保留有CN键，对于硫正极放电过程中产生的多硫化物具有吸附效果，有效提升正极的循环特性。聚丙烯腈热处理的温度过高形成的碳层中则保留的CN键较少或者不含，难以发挥CN键的作用。通过发明人研究发现，碳层的厚度为2～50nm时，碳层的厚度不至于过厚容易脱落，也不至于过低则对于电池的循环性能和倍率性能提高不显著。

本发明所述聚丙烯腈可根据具体的附着情况选择合适粘度的聚丙烯腈。

作为本发明所述集流体的更优选实施方式，所述碳层为聚丙烯腈在惰性气氛中经过300～450℃的热处理形成。

作为本发明所述集流体的优选实施方式，所述碳层的厚度为2～5nm。碳层厚度为2～5nm时，能够有效提高电池的循环性能和倍率性能，且脱落率最低。

作为本发明所述集流体的优选实施方式，所述铝丝骨架的孔径为0.3～0.8mm。

作为本发明所述集流体的优选实施方式，所述铝丝骨架的孔隙率为92～97％。在该孔径和孔隙率下单位体积的铝丝骨架能够负载较多的含硫活性物质。

本发明的目的还在于提供一种集流体的制备方法，包括以下步骤：

(1)在铝丝骨架涂覆聚丙烯腈，干燥后置于惰性气氛中，在250～450℃下热处理10～60min；

(2)重复步骤(1)，达到所需碳层厚度，即得所述集流体。

采用上述制备方法可以使碳层紧密附着于铝丝骨架上，且方法简单，可操作性强，适用于大范围工业化应用。