[发明专利]一种锂硫电池复合正极材料、其制备和应用

说明书

本发明属于锂硫电池电极材料技术领域，更具体地，涉及一种锂硫电池复合正极材料、其制备和应用。通过静电纺丝法将混合碳硫材料与高分子聚合物复合制备为三维导电纤维结构的硫载体材料，然后再通过热处理进行载硫形成该正极材料。该正极材料独特的3D纤维纳米结构不仅可以提供快速的电子离子传输通道，而且可以有效缓解传统锂硫电池面临的体积膨胀和多硫化物的溶解与穿梭效应。本发明通过静电纺丝和热处理两步法合成的纤维结构正极材料，与现有技术制备的锂硫电池正极材料相比表现出更优异的长循环稳定性和高倍率性能，大幅提高了硫利用率，解决了传统硫正极材料循环稳定性差的问题。

技术领域

本发明属于锂硫电池电极材料技术领域，更具体地，涉及一种锂硫电池复合正极材料、其制备和应用。

背景技术

随着现代的电动汽车和流行的电子产品领域飞速发展，对于传统锂离子电池能量密度只能达到300Wh/kg，已经难以满足人们对高能量密度电池的要求了，因此急需开发下一代高能量密度二次电池。锂硫电池以储量丰富、成本低和对环境污染小的硫单质作为正极活性物质，并且锂硫电池具有超高的理论能量密度(2600Whkg^-1)和理论比容量(1675mAhg^-1)，具备上述的优点使得锂硫电池有潜力成为下一代高能量密度二次电池。然而锂硫电池面临着许多科学挑战，(1)硫和硫化锂的电绝缘性，导致硫的动力学缓慢和电池高倍率性能差；(2)多硫化物溶解与穿梭效应的发生，导致容量快速衰减，循环寿命差和库伦效率低；(3)硫在充放电过程中的体积变化问题，会导致正极材料结构损坏和崩塌。

为了进一步解决上述锂硫电池存在的问题，大多数的研究致力于电解液改性，隔膜修饰，粘结剂设计及引入动力学加速剂等策略，但这些方法大多操作繁琐，作用有限，难以有效解决上述问题。相比之下，构建结构稳定和高性能的正极材料被认为是解决锂硫电池问题的最有效的方法之一，进一步加入少量加速剂的掺杂，能够更进一步地提升硫正极材料的性能。硒和碲与硫是同一主族，具有与硫类似的特性，同时还具有高导电性和加速硫转化动力学作用，从而可以有效地解决上述锂硫电池面临的问题。

基于以上分析，结合结构稳定和高性能硫正极材料的优势和少量加速剂的掺杂，制备具有低成本高性能的少量硒碲掺杂的3D导电纤维结构的正极材料，用作锂硫电池的硫正极材料是发展下一代高性能锂硫电池的有效策略之一。

目前直接通过热处理法制备硫化聚丙烯腈(SPAN)材料由于其具有优异的循环稳定性而备受关注，但是由于SPAN的导电性差和转化动力学慢，而限制其在高倍率下的电化学性能；后续提出采用静电纺丝和热处理法结合的方式制备了纤维结构的SPAN或着碳@PAN复合材料，虽然这些材料在一定程度上提高了锂硫电池的电化学性能，但是电池面临的高倍率性能(在5C的高倍率下的放电容量一般都低于900mAhg^-1)和动力学缓慢问题仍未解决。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种锂硫电池复合正极材料、其制备和应用，该锂硫电池正极材料是通过静电纺丝法将混合碳硫材料与高分子聚合物复合制备为三维导电纤维结构的硫载体材料，然后再通过热处理进行载硫形成的。该正极材料独特的3D纤维纳米结构不仅可以提供快速的电子离子传输通道；而且可以有效缓解传统锂硫电池面临的体积膨胀和多硫化物的溶解与穿梭效应。本发明通过静电纺丝和热处理两步法合成的纤维结构正极材料，与现有技术制备的锂硫电池正极材料相比表现出更优异的长循环稳定性和高倍率性能，大幅提高了硫利用率，解决了传统硫正极材料循环稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将导电碳材料和硫粉混合后研磨，得到粉末状CS混合材料；

(2)将步骤(1)所述粉末状CS混合材料与用于制备静电纺丝液的高分子聚合物有机溶液混合后搅拌均匀，得到CS@高分子聚合物纺丝液；

(3)将步骤(2)获得的CS@高分子聚合物纺丝液进行静电纺丝得到CS@高分子聚合物纤维；