[發明專利]一種鋰-硫電池正極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210176736.5
• 申請日: 2012-05-31
• 公開（公告）號: CN102683659A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 王兆翔;王雪鋒;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/58
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明屬于電池技術領域。特別是一類鋰二次電池正極材料。

背景技術

鋰離子電池是目前綜合性能最好的二次電池，已經廣泛應用于手機、數碼相機、筆記本電腦等便攜式電子產品及電動工具。隨著各種規模的儲能電站、電動汽車、智能電網的迅猛發展，對鋰離子電池能量密度和功率密度的要求也越來越高。但是，受電池體系和電極材料理論儲鋰容量的限制，即使考慮到今后采用具有更高比容量的正負電極材料和更先進的設計與制造技術，鋰離子電池的比能量也將停留在300Wh?kg^-1左右。因此，使用鋰離子電池的純電動汽車難以達到能與現有燃油車相比擬的續駛里程（通常在500km左右，要求電池比能量達到350Wh?Kg^-1以上）。在目前正在研究的各種二次電池體系中，只有鋰-硫（Li-S）電池和鋰-空氣電池能夠勝任高比能量的要求。

單質硫作為鋰離子電池正極材料，其理論容量可高達1675mAh/g，理論能量密度達2600Wh/kg。硫的儲量豐富，單質硫廉價、無毒性。所以，鋰-硫電池是未來鋰二次電池的發展方向之一。美國SION?POWER公司已經推出比能量達到350Wh?kg^-1的原型鋰-硫電池，未來鋰-硫電池的比能量將有望達到或超過達到650Wh?kg^-1。因此，鋰-硫電池是一種有望滿足高能量密度動力要求，又具有廉價環保特性、極具推廣意義的二次鋰電池，可以滿足不同場合對高性能電池的重大需求。

但是，由于單質硫的低電導率特點以及單質硫與鋰反應生成的眾多中間產物（多硫化物）易于溶入電解液，導致活性物質流失、電池自放電和電極鈍化等問題，目前通常是將單質硫裝載（裝填、附著、混合、外延生長、包覆等）在各類具有高比表面積、高孔隙率及良好導電性能特征的碳素類材料、導電高分子材料中，形成復合材料，以限制循環過程中多硫化物溶入電解液和由此引起的各種負面作用。這種復合方法不僅提高了硫正極的導電性，而且有效減緩了多硫化物向電解液的溶解。但是，這些載體材料的共同缺點是，在硫電極具有電化學活性的電壓范圍（0.8-3.5V）內，載體材料本身都是不具有電化學活性的，或者說這些載體自身都不具有儲存鋰能力。因此，這類載體材料的使用，浪費了硫電極中寶貴的空間和質量，降低了硫復合電極（單質硫或硫化鋰+載體材料）的比容量，也就降低了鋰-硫電池的比能量。

發明內容

本發明的目的是，以在硫電極工作電壓范圍內具有儲鋰能力的多孔材料負載單質硫或硫化鋰，構成復合材料，克服目前鋰-硫電池活性物質利用率低、容量衰減迅速、硫電極整體比容量偏低的缺點，提高硫電極和鋰-硫電池的比容量與比能量。

本發明的另一目的是提供一種鋰-硫電極正極材料的制備方法。

本發明的技術方案如下：

本發明所述的鋰-硫電池正極材料，是由在鋰-硫電池工作電壓范圍內具有一定儲鋰容量的載體材料與單質硫或硫化鋰復合而成；

所述載體材料為含有一種化合物或者由多種化合物復合而成的材料，該化合物由金屬和非金屬兩部分組成；

所述金屬為含Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Ce、W、中的一種或它們之間的組合；

所述非金屬部分是H、B、C、N、O、F、Si、P、S、Cl、As、Te、I、B之一或它們之間的組合（如PO₄^-，CO₃^-等），或者這些非金屬元素中的一種或幾種與上述金屬元素中的一種或幾種的組合（如AlO₂^-）。

所述載體材料相對于金屬鋰具有電化學活性的（具有儲鋰能力）的電壓范圍為0.8V至3.5V。

優選各種（含鋰）氧化物（Li_xMO_y）、（含鋰）硫化物（Li_xMS_y）、（含鋰）氮化物（Li_xMN_y）、（含鋰）磷化物（Li_xMP_y）、（含鋰）氟化物（Li_xMF_y）、（含鋰）硼化物（Li_xMB_y）其中0≤x≤5,1≤y≤8，M=Mg、Al、Si、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Al、In、Sn、Sb、Si。