[發明專利]一種鋰硫電池正極結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201210482976.8
• 申請日: 2012-11-23
• 公開（公告）號: CN103840125A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 張華民;王美日;張益寧;曲超;王倩;李婧;聶紅嬌
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/139
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極及其制備方法，特別涉及一種正極結構及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著科技的不斷進步，各種電子產品的快速發展，要求所用的化學電源具有質量輕、體積小、容量大等特點。要想適應社會的需求，大幅度提高電池的能量密度，新材料和新體系的開發是必須的。

鋰硫電池是一種以金屬鋰為負極、單質硫為正極的二次電池，其比能量理論上可達到2600Wh/kg，實際能量密度目前能達到300Wh/kg,未來幾年內極有可能提高到600Wh/kg左右,同時單質硫正極材料具有來源豐富、價格便宜、環境友好等優點，被認為是當前最具研究吸引力的二次電池體系之一。

然而，鋰硫電池的發展還存在很多問題。例如，實際的鋰硫電池能量密度不高是限制其實際應用的關鍵因素之一。要想提高整個電池的能量密度，就要提高正極活性物質擔量。由此引起的電極皴裂、電荷及離子轉移電阻偏高，容量發揮不高、電池循環穩定性差等問題噬待解決。

目前，鋰硫電池正極通常是通過將含硫材料、導電添加劑和粘結劑按照一定的比例分散在溶劑中制成漿料，并將漿料直接涂覆在鋁箔集流體上并烘干得到。

中國專利（申請號201210032447.8）公開了一種鋰硫電池正極極片的制備方法。該方法僅改善了集流體的耐腐蝕性，并不能改善高擔量的活性物質的電荷及鋰離子的轉移電阻。

中國專利（申請號201010513866.4）公開了一種鋰硫電池正極極片的制備方法。該方法是在金屬薄片集流體上沉積碳膜的同時氣相摻入硫。雖然該發明制備的電極中不含有導電性差的粘結劑，但由于其應用的設備價格昂貴，且制備過程不易控制，因而限制了其發展。

中國專利（申請號200710122444.2）公開了一種鋰硫電池正極極片的制備方法。該發明以明膠作為粘結劑，降低了電解液對極片的浸潤阻力。但仍不能改善電極做厚后電荷及鋰離子的轉移電阻。

綜上，改進正極極片的結構，制備大孔徑的碳硫復合物層與小孔徑的碳硫復合物層復合的梯度電極，不僅能改善正極極片中的電荷及鋰離子的轉移電阻。提高活性物質的放電容量，提高電池的能量密度；而且梯度電極的孔結構特征能有效抑制多硫化物的穿梭，提高鋰硫電池的循環穩定性。因此，改進電極的結構對提高電池的能量密度是有效的，但現有鋰硫電池正極無論是在產品的制備方法上還是在商用價值方面均有須改進之處。

本發明針對上述缺點，提供一種新型的鋰硫電池正極結構,該電極結構為梯度電極，包括兩個部分，一層為集流體上的大孔徑的碳硫復合物層，一層為小孔徑的碳硫復合物層。其用作鋰硫電池正極材料時，在活性物質的擔量為4.2mg-S/cm²條件下,其首次放電容量1100mAh/g-S,循環20次，放電容量保持率大于80%。

發明內容

本發明的目的在于提供一種新型的鋰硫電池正極結構及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：制備梯度電極，包括兩個部分，一層為集流體上的大孔徑的碳硫復合物層，一層為小孔徑的碳硫復合物層。大孔徑的碳硫復合物層有利于鋰離子的傳輸及容納在放電過程中多硫化物引起的體積膨脹，提高電池的放電倍率；小孔徑的碳硫復合物層有利于提高活性物質的利用率，提高放電容量，并且可以有效的抑制多硫化鋰的“穿梭效應”，提高電池的循環穩定性及庫倫效率。這種結構的正極有利于高擔量的活性物質容量的發揮，提高電池的能量密度。將這種結構應用于鋰硫電池，有利于減小電池的傳質極化，提高電池的放電倍率及循環穩定性。

一種鋰硫電池正極結構，其特征在于，該極片為梯度電極，包括兩個部分，一層為集流體上的大孔徑的碳硫復合物層，一層為小孔徑的碳硫復合物層。所述的碳硫復合物層為含硫量為10~95%的碳硫復合物、導電劑與粘結劑的混合物，其中碳硫復合物、導電劑與粘結劑的質量比為1：（0~1）：（0.01~0.5）；