[發明專利]一種鋰硫電池正極的制備方法

有效

• 申請號: 201310181941.5
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103268934A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 吳鋒;陳君政;陳人杰;趙騰;李麗;陳實
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/1397
• 分類號: H01M4/1397;H01M4/58
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術領域

本發明提供了一種鋰硫電池正極的制備方法，屬于化學儲能電池領域。

背景技術

金屬鋰硫二次電池被認為是最有發展潛力的新型多電子反應的二次電池體系。單質硫與鋰反應的理論比容量為1675mAh/g，質量比能量達2600Wh/kg(金屬鋰與硫完全反應后生成Li₂S)，遠遠高于現行的傳統鋰離子二次電池材料如LiCoO₂、LiMnO₂和LiFePO₄等。同時硫又具有來源豐富、價格便宜、環境友好、電池體系安全性較好等優點。然而，仍然有許多問題制約了鋰硫電池的發展與廣泛應用。

首先，單質硫在室溫下是電子和離子的絕緣體(5×10^-30S/cm,25℃)，在室溫下不具備基本電化學活性；其次硫還原生成Li₂S的過程是一個多步反應，其中間產物多硫化鋰易溶于有機液態電解液，多硫化鋰的大量溶解會導致一部分的活性物質流失，還會導致電解液粘度的增大及離子導電性的降低。而且部分溶解了的多硫化鋰擴散至負極還會與鋰發生自放電反應，進一步惡化電池的性能。從而導致硫正極活性物質利用率低，電池循環壽命縮短。

同時為了改善鋰硫電池的循環壽命，一系列以乙二醇二甲醚、1,3-二氧五環、四氫呋喃、二甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚等有機溶劑以及它們的混合溶劑的電解液有效延長了電池壽命，這類溶劑在一定程度上能抑制單質硫放電產物的溶解從而改善電池的循環性能。隨著聚合物和凝膠電解質的發展，采用純固態的電解質并結合特殊的電池設計技術，可以較大程度的抑制放電產物的溶解，但是單質硫電極本身導電性等問題始終未得以解決。

傳統鋰硫電池中的正極制備生產中，由于單質硫的絕緣性和放電產物的溶解流失，需要摻入大量的導電劑、粘結劑，同時為解決材料的循環壽命問題，多數合成的鋰硫電池中含有類吸附劑的成分用于吸附中間放電產物的流失，從而大幅度降低了電池的整體容量和比能量。直接生長或沉積正極材料制備正極的方法被廣泛應用于生產新一代的高比能電池中，如Wang等采用電化學原位聚合法在集流體表面直接聚合導電聚吡咯，再將其應用于鋰離子電池中，取得了很好的電化學性能和電池比能量。

發明內容

為解決鋰硫電池電極的導電性差和放電產物溶解問題，本發明的目的在于提供一種新型的鋰硫電池正極的制備方法，在提升電池整體性能的同時，也簡化了電極的制備工藝。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種鋰硫電池正極的制備方法，所述方法為通過電化學刻蝕法在集流體表面形成納米多孔道結構，然后將硫導電聚合物或單質硫沉積或者復合在集流體納米多孔道結構的表面或內部，得到所述鋰硫電池正極。

優選所述集流體為鋁箔。

優選所述方法的具體步驟如下：

步驟一、電化學刻蝕鋁箔，刻蝕條件為在直流電作用下，以石墨棒為陰極，鋁箔為陽極，電解液為含有10wt%鹽酸和3wt%氯化鋁的水溶液，電流密度為400-800mA/cm²，刻蝕溫度為50～80℃，刻蝕時間為10～30min。刻蝕后在鋁箔表面形成具有高密度的納米多孔直線道結構；

步驟二、通過熱處理、溶液交換或化學合成方法，將單質硫或硫導電聚合物沉積到鋁箔刻蝕后的多孔道結構中；

步驟三、將步驟二得到的沉積有硫或硫導電聚合物的鋁箔先用無水甲醇再用水沖洗，干燥后得到所述鋰硫電池正極。

為了檢測本發明制備得到的鋰硫電池正極的電化學性能，本發明將該正極組裝制備得到二次鋰電池，所述二次鋰電池包括正極活性材料、負極、電解質和隔膜，其中：正極活性材料為本發明所述鋰硫電池正極的制備方法得到的鋰硫電池正極，負極為金屬鋰或含鋰金屬合金，如Li、Li-Sn、Li-Si或Li-Al合金；電解質為有機液態、離子液體、固態或凝聚態的電解質。

將上述制備的二次鋰電池在室溫下以100mA/g的電流密度充放電，正極活性材料放電比容量為500-1500mAh/g，平均放電電壓為2.1V（vs.Li/Li+），活性物質的利用率在60-90%之間，電池在循環50周后還保持較高的比容量，表現出了良好的循環穩定性，所制得的二次鋰電池能量密度高于300Wh/kg。

有益效果