[发明专利]一种锂硫电池正极水性导电粘结剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极水性导电粘结剂及其制备方法，所述的导电粘结剂原料包括碳材料与粘结性聚合物，两者的质量比为0.9‑1.1:0.9‑1.1，其中，所述的碳材料包括零维碳、一维碳和二维碳，三者的质量比为零维碳：一维碳：二维碳＝3‑9:1‑8:1‑3。本发明适用于锂硫电池的各种粘结剂，具有很好的普适性。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极水性导电粘结剂的制备方法。

背景技术

以单质硫(理论比容量1675mAh·g^-1)作为正极材料的锂硫电池的理论比能量密度高达2600Wh·kg^-1，并且具有环境友好、价格成本低和储量丰富等优点。因此，锂硫电池被认为是极具开发潜力的下一代高能量密度二次电池体系。

然而，单质硫及其放电产物多硫化锂导电性差，严重影响了电子的传导，从而降低活性物质的利用率，导致锂硫电池实际能量密度较低。其次，由于单质硫(2.03g·cm^-3)和放电产物硫化锂(1.66g·cm^-3)的密度相差大，电极在充放电的过程中体积膨胀可达到80％，电极粘附力低致使活性物质的容易发生脱落，电极结构被破坏，最终导致容量的快速衰减。最后，大部分的硫载材料或粘结剂对充放电过程中的多硫化锂中间体的吸附较弱，很难有效抑制锂硫电池的穿梭效应(Adv.Energy Mater.2020,2000082)。

目前报道的锂硫电池正极大部分采用复杂的工艺来合成硫载客体材料，或通过设计三维自支撑集流体的方式来提高单位硫载量和能量密度。这些策略成本耗费较高，产业化批量制备前景有限，在实际应用中受到了明显的限制(Frontiers in Energy Research2019,Volume 7,123)。更值得注意的是，使用商业化铝箔集流体目前能达到的单位硫载量普遍低于3mg cm^-2，远无法满足制备高能量密度电池的需求(Adv.Energy Mater.2018,8,1802107)。因此，在传统电极制备工艺路线下，开发可规模化制备高硫负载正极商是现在锂硫电池研究的难点。

发明内容

本发明的目的在于解决硫正极在集流体上低粘附力、低导电性等问题，而提供了一种高负载锂硫电池使用的导电粘结剂及其制备方法。该方法制备的水性导电粘结剂同时提供了导电三维网络与复配粘结剂的交联网络，具有粘附力强、电子与离子电导率高、分散性稳定，调浆工艺简便等优点；应用于锂硫电池中可有效提高电极硫载量与面容量，获得稳定电池循环性能。

本发明的技术方案如下：

一种锂硫电池正极水性导电粘结剂，原料包括碳材料与粘结性聚合物，两者的质量比为0.9-1.1:0.9-1.1，其中，所述的碳材料包括零维碳、一维碳和二维碳，三者的质量比为零维碳：一维碳：二维碳＝3-9:1-8:1-3；零维碳、一维碳、二维碳与粘结性聚合物复合，构建成点、线、面相互接触的导电三维网络。

优选地，导电粘结剂的溶剂为水，碳材料与粘结性聚合物分散在水中形成的粘稠分散液，分散液的粘度为500-20000mPa·s；所述水性导电粘结剂固含量为1-20％。

优选地，粘稠分散液的粘度为1000-7000mPa·s；所述水性导电粘结剂固含量为2-10％。

优选地，粘结性聚合物可以为羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚氨酯(PU)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、海藻酸盐(Alg)、黄原胶(XG)、瓜尔豆胶(GG)、阿拉伯胶(AG)、明胶、卡拉胶、壳聚糖、LA133等水性粘结剂中的至少一种。

优选地，一维碳为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、气相生长碳纤维中的一种或几种，长径比为100-8000，优选为400-6000；二维碳材料为天然石墨粉、膨胀石墨中的至少一种，其中膨胀石墨目数为10-5000，优选为20-2000；零维碳包括乙炔黑、科琴黑中的至少一种。