[发明专利]正极材料、隔膜和锂硫电池及其制备方法

说明书

提供一种锂硫电池的正极材料、隔膜及包含该正极材料和/或隔膜的锂硫电池。其中，正极材料，包括硫碳复合正极材料，所述硫碳复合正极材料包括碳基体和硫，所述碳基体接枝有‑S₂O₃M；隔膜至少一表面接枝有‑S₂O₃M。本发明中的正极材料和/或隔膜接枝有‑S₂O₃M基团，在放电过程中，硫代硫酸根与多硫化物发生歧化反应，将长链多硫化物转换为短链多硫化物，并将剩下的降阶长链多硫存储在其基团的S‑S键中，该过程不仅促进多硫化物其向短链硫化物的转换，同时抑制多硫化物的溶解，从而实现抑制穿梭效应，提升活性物质利用率的效果。

技术领域

本发明属于化学电源领域，具体涉及锂硫电池的正极材料、隔膜及其制备方法，以及包含该正极材料和隔膜的锂硫电池。

背景技术

锂硫电池理论容量和比能量达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的铁锂或三元电池的能量密度(300wAh/kg)，且单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。因此锂硫电池被广泛认为是下一代高能量密度电池的发展方向，也是高能量密度电池的研究热点。

但单质硫在电化学反应过程中与锂离子发生反应生成多硫化锂(LiS_x，x＝2-8)，其中长链中间放电产物多硫化锂LiS_x(LiS_x，x＞2)会溶解到有机电解液中。此外，长链多硫化锂中电场和浓度梯度的作用下会在正负极之间来回迁移，长链LiS_x迁移到电解液中会增加电解液的黏度，降低离子导电性；长链LiS_x迁移到隔膜上会导致隔膜堵孔，内阻增大，电池动力学性能变差；长链LiS_x具有极强的反应活性，迁移到负极会破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)，此外长链LiS_x还会与金属锂直接反应致使金属锂失活，粉化。综上，称为多硫化物的穿梭效应(Shuttle效应)，导致活性物质损失和电能的浪费。

因此，改善锂硫电池的电化学性能、提升活性物质利用率、提升循环寿命的当务之急是抑制穿梭效应。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种锂硫电池正极材料、其制备方法及使用该正极材料的锂硫电池。

本发明一方面提供一种锂硫电池的正极材料，包括硫碳复合正极材料，所述硫碳复合正极材料包括碳基体和硫，所述碳基体接枝有-S₂O₃M。

本发明第二方面提供一种锂硫电池的正极材料的制备方法，包括：通过碳基体上连接的-COOH将-SH连接到所述碳基体上；将连接在所述碳基体上的所述-SH氧化为-SO₃H；将连接在所述碳基体上的所述-SO₃H中和形成-SO₃M；以及将连接有所述-SO₃M的所述碳基体与硫单质反应形成-S₂O₃M。

本发明第三方面提供一种锂硫电池的隔膜，所述隔膜至少一个表面接枝有-S₂O₃M。

本发明第四方面提供一种锂硫电池，包括上述正极材料和/或上述隔膜。

本发明中的正极材料和/或隔膜接枝有-S₂O₃M基团，在放电过程中，硫代硫酸根与多硫化物发生歧化反应，将长链多硫化物转换为短链多硫化物，并将剩下的降阶长链多硫存储在其基团的S-S键中，该过程不仅促进多硫化物其向短链硫化物的转换，同时抑制多硫化物的溶解，从而实现抑制穿梭效应，提升活性物质利用率的效果。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。