[发明专利]一种用于锂-硫电池的碳包覆硫化锂复合电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种用于锂‑硫电池的碳包覆硫化锂复合电极及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：首先在微米或纳米级的硫酸锂颗粒表面包覆一层聚合物，制备出核壳结构的硫酸锂@聚合物复合材料；然后将其与导电剂和粘结剂混合调浆，涂覆在三维多孔导电基体上，得到硫酸锂@聚合物复合电极；最后对硫酸锂@聚合物复合电极进行热处理，直接制备出碳包覆硫化锂复合电极。本发明的制备方法一步直接实现硫化锂纳米粒子的合成及其可控碳包覆以及碳包覆硫化锂复合电极的制备，从而有效抑制多硫化锂的溶解和穿梭效应，提高硫化锂电极的导电性和稳定性。

技术领域

本发明涉及电化学储能领域，更具体地，涉及一种用于锂-硫电池的碳包覆硫化锂复合电极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、自放电率小和循环寿命长等优势，目前已被广泛应用于移动手机、笔记本电脑等便携式电子设备领域。然而，传统锂离子电池一般使用钴酸锂、锰酸锂或磷酸铁锂等金属氧化物作为正极，石墨作为负极，其相对较低的能量密度远远不能满足新能源汽车、智能电网和航空航天等新兴领域对高能量密度的需求，因此，目前急需一种高容量、高安全和长寿命的能量存储和转换器件来满足人们日益增长的能量需求。锂-硫电池作为下一代高能量密度二次锂电池体系的代表，近年来受到学术界和工业界的高度关注。锂-硫电池是以硫作为正极活性物质，根据单位质量的单质硫在放电过程中完全转变为硫化锂(Li₂S)所提供的电量，硫的理论放电比容量为1675mAh g^-1，当其与金属锂构成锂-硫电池，理论能量密度高达2600Wh kg^-1，明显高于传统的锂离子电池，再加上单质硫具有资源丰富、价格低廉和环境友好等优点，锂-硫电池被公认为最具发展前景的一种高能量密度二次锂电池。然而，典型的锂-硫电池使用金属锂作为负极，存在很大的安全隐患。因此，如何彻底解决金属锂负极带来的安全问题，是高能量密度锂-硫电池得以实现实际应用必须要解决的关键问题之一。

Li₂S是单质硫完全锂化后的产物，采用其作为锂-硫电池的正极，负极就可以匹配石墨、硅或锡等，从而避免金属锂带来的安全隐患。然而，Li₂S同单质硫一样，也存在一些问题：(i)Li₂S的导电性极差，室温下其电子电导率只有10^-14S cm^-1，较低的电导率使活性物质的利用率较低，进而导致比容量较低、倍率性能较差；(ii)Li₂S在充电过程中形成易溶于电解液的长链多硫化锂，并产生“穿梭效应”，最终导致活性物质的流失、电池容量的迅速下降、库伦效率的降低。近年来，研究者们主要通过Li₂S与碳材料复合的方法来提高其导电性和活性物质的利用率，并取得了较为明显的效果。为了固定Li₂S和解决多硫化物的溶解问题，一些研究者采用碳材料、导电聚合物或金属硫化物等对Li₂S进行包覆，制备出一种核壳结构的复合材料，从而在一定程度上抑制了多硫化物的溶解和穿梭效应，并提高了电池的循环稳定性。然而，目前锂-硫电池研究中所使用的Li₂S大多为商业化的Li₂S，较为昂贵的价格严重限制了其在锂-硫电池中的实际应用。此外，Li₂S的一些包覆方法，如通过化学气相沉积法对Li₂S进行碳包覆等[J.Am.Chem.Soc.,2014,136,4659-4663；ACS Nano,2016,10,1333-1340]，仍存在制备成本高、制备过程复杂以及制备条件要求高等问题。再加上Li₂S在空气中易发生水解和氧化反应，给Li₂S电极的大规模生产带来了极大的困难和挑战。

发明内容

本发明为解决Li₂S价格高、导电性差、中间产物多硫化锂易溶于电解液、碳包覆困难以及Li₂S电极难以大批量制备等问题，提供一种原材料价格低廉、制备工艺简单便捷、可一步直接实现硫化锂纳米粒子的合成及其可控碳包覆以及碳包覆硫化锂复合电极批量制备的方法，并提供一种碳包覆硫化锂复合电极及其作为正极组装得到的锂-硫电池。