[发明专利]一种全固态锂硫电池复合正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，特别涉及一种全固态锂硫电池复合正极材料及其制备方法。本发明采用一步煅烧结合原位反应的方法，在固态电解质周围原位生成硫单质，并且以分散剂形成导电网络，保证了硫单质、碳和固态电解质分布均匀。实施例测试结果表明，由本发明提供的制备方法制备的全固态锂硫电池复合正极材料硫、碳和固态电解质颗粒粒径均一且分布均一，以本发明提供的全固态锂硫电池复合正极材料组装的全固态锂硫电池，在0.2C的充放电电流密度下，首次可逆容量为940～1112mAh/g，库仑效率≥95％，经过20次充放电循环后容量保持率≥76％。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，特别涉及一种全固态锂硫电池复合正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池具有高达1675mAh/g的理论比容量，具有良好的储能系统应用前景，但液态体系的锂硫电池中，由于多硫化物溶解到电解液当中，引起的“穿梭效应”会导致硫正极活性材料的损失，导致锂硫电池的循环性能大大降低。全固态锂电池体系是将液态锂离子电池中的液态有机电解液替换为全固态电解质，由于固态电解质不易燃易爆，在高温下稳定，即使电池短路，也不会产生安全问题；并且，由于不存在液态环境，所以不存在多硫化物的溶解问题，从而解决了锂硫电池的“穿梭效应”，可以大大提高锂硫电池的循环性能

然而，在固态锂硫电池中，由于不仅电极是固态，电解质也是固态，所以构成电极的粒子与构成电解质的粒子之间界面的接触部分会变小；并且由于在非液态环境下，锂硫电池的正极活性材料(单质硫)本身电导率不高，硫粒子之间接触不够充分，导致电极内部的阻抗增大，与使用电解液作为电解质的情况相比，锂离子和电子电化学动力学受阻。因此，固体锂硫电池晶粒间和界面电阻较大，能量密度、循环寿命等电池特性有所降低。

为了抑制固态电解质与电极之间界面阻抗骤增，大部分研究采用将由电解质粒子与电极粒子的混合物构成的界面层夹在电解质与电极之间的方法。或者制备正极活性材料与电解质材料复合的正极材料，将此复合正极材料与固态电解质配合使用，以达到减小正极与固态电解质之间的界面阻抗和电极内部阻抗的目的，如Xinyong Tao等(Tao,X.Y.,etal.Solid-State Lithium Sulfur Batteries Operated at 37degrees C withComposites of Nanostructured Li₇La₃Zr₂O₁₂/Carbon Foam and Polymer[J].NanoLetters.2017.17(5):2967-2972.)提出了通过将无机固态电解质与正极活性材料混合制得复合正极材料，可以有效降低正极部分与固态电解质之间的界面阻抗，但该方法是先合成LLZO/C复合物，后采用低温熔融的方法进行注硫，工艺复杂，合成的LLZO/C/S复合材料各组分分布不均，最终组装的固态锂硫电池的可逆容量和循环寿命欠佳。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全固态锂硫电池复合正极材料其制备方法，由本发明提供的制备方法制备的全固态锂硫电池复合正极材料具有可逆容量高和循环寿命长的特点。

为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种全固态锂硫电池复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

将硫源、包覆改性剂和分散介质混合，依次进行干燥和研磨，得到包覆硫源粉；所述包覆改性剂包括聚多巴胺、间苯二酚-甲醛树脂、糖、聚乙烯吡咯烷酮、单宁酸、柠檬酸、聚乙烯醇、聚吡咯、维生素C、聚乙二醇、沥青、蒽和苯胺中的一种或几种；

将无机固态电解质原料、螯合剂和分散溶剂混合进行溶胶凝胶法处理，得到凝胶体系；将所述凝胶体系研磨，得到固态电解质前驱体凝胶粉，将所述固态电解质前驱体凝胶粉和分散剂混合，得到固态电解质前驱体粉；所述分散剂包括Super P、导电石墨、导电炭黑、导电碳纤维和石墨烯中的一种或多种；