[发明专利]具有双重捕获功能的锂硫电池正极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种有双重捕获功能的锂硫电池正极及其制备方法和应用。该锂硫电池正极包括电极活性物质、集流体、导电剂和具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能的粘结剂，所述粘结剂选自聚天冬氨酸‑虾青素和聚天冬氨酸‑熊果苷中的一种。其制备方法包括干粉混合、浆料配置以及涂布、干燥等处理步骤。本发明所述的锂硫电池正极具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能，能显著抑制锂硫电池中存在的“穿梭效应”，提高锂硫电池的充放电效率、放电容量和循环性能。此外，本方法还具有与现有锂离子电池生成工艺相兼容、条件易控、适于工业化生产等优点。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体涉及一种具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能的正极及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子设备、电动汽车、混合动力汽车等各种技术应用对储能需求的不断增加，高比能锂电池的研发受到了研究人员的广泛关注。其中，锂硫电池因其高的理论比容量（1675 mAh/g）和高能量密度（2600 Wh/kg），被认为是最有前途的下一代高能电池体系之一。活性物质硫的理论容量是目前商用插层化合物（LiCoO₂和LiFePO₄）等正极材料的五倍以上。同时，硫的储量丰富，价格低廉，硫本身又具有环境友好的特点，作为电池材料具有天然的优势。然而，锂硫电池也存在一定问题：1）电极充放电过程中因存在高达80%的体积膨胀而引起电极结构的破坏；2）单质硫的电子与离子导电性较差；3）长链多硫化锂易溶于电解液，在正负极间迁移并与锂负极反应，造成活性物质损失，导致电池性能严重衰减。其中，多硫化锂溶解与穿梭效应因其影响的严重性引起了科研人员的广泛关注，如何抑制穿梭效应成为锂硫电池研究领域的热点。实现长循环寿命，高能量密度的电极至关重要。

然而，锂硫电池在实际应用中，正极的活性硫在氧化还原过程中生成多硫化锂，多硫化锂溶于电解液的同时会离解成多硫离子自由基，造成的损失。此外，多硫化锂和多硫离子自由基会穿过隔膜，向负极扩散，到达负极后与金属锂发生副反应，钝化负极界面，进一步造成电池电化学性能的下降。因此，如何抑制多硫化锂和多硫离子自由基的“穿梭效应”在锂硫电池研究中至关重要。

粘结剂作为锂硫电池中的重要组分，在电池循环过程中，其机械性能、粘弹性、结构特点都对电池的电化学性能具有重要影响。传统电极中的粘结剂如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、羧甲基纤维素钠（CMC）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚氧化乙烯（PEO）、LA136等对多硫离子自由基没有束缚和捕获作用，因而无法抑制锂硫电池因穿梭效应而带来的性能衰减。最近，Cuisinier和Zhang等人（Adv. Energy Mater. 2015, 5,1401801；ACS Energy Lett. 2021, 6, 537−546）对多硫化锂溶解与穿梭的研究中，分别报道了多硫离子自由基的存在及其对锂硫电池电化学性能的影响。因此，设计一种具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能的锂硫电池电极，将显著抑制锂硫电池的穿梭效应，提升锂硫电池的容量和循环性能，具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能的正极及其制备方法和应用，通过抑制锂硫电池存在的“穿梭效应”，从而提高锂硫电池的容量和循环性能。

为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种具有双重捕获功能的锂硫电池正极，包括电极活性物质、集流体、导电剂和具有多硫化锂与多硫离子自由基双重捕获功能的粘结剂，所述粘结剂选自聚天冬氨酸-虾青素和聚天冬氨酸-熊果苷中的一种。

进一步地，电极活性物质、导电剂和粘结剂三者的质量份数比为（8-9）:（0.05-1）:（0.05-1）。

进一步地，电极活性物质形式为活性硫或硫/碳复合材料。

进一步地，集流体为铝箔。

进一步地，导电剂选自导电碳黑、碳纳米管中的一种或两种的混合物。