[發(fā)明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法、鋰硫電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410001396.1
• 申請(qǐng)日: 2014-01-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104766957A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾紹忠;趙志剛;王秀田;陰山慧;陳效華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 奇瑞汽車股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/139;H01M10/0525
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11112
• 代理人: 羅建民;鄧伯英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法、鋰硫電池。

背景技術(shù)

目前，手機(jī)、筆記本電腦的3C產(chǎn)品主要采用鋰離子電池供電，鋰離子電池的理論比能量為400～600Wh/kg。由于鋰離子電池需要一些必要的輔助材料如：集流體、隔膜、電解液及包裝材料等，所以實(shí)際生產(chǎn)的鋰離子電池的比能量遠(yuǎn)低于其理論比能量，鋰離子電池的實(shí)際比能量處于90～200Wh/kg之間。隨著智能手機(jī)和電動(dòng)車等高耗電產(chǎn)品的發(fā)展，現(xiàn)有的鋰離子電池的比能量已難以全面滿足這些產(chǎn)品的長(zhǎng)時(shí)間的待機(jī)需求。

近十幾年，各種新型的高比能量電池被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中鋰硫電池由于其高的質(zhì)量比能量（理論比能量為2680Wh/kg）而成為研究熱點(diǎn)。但是，室溫下純硫是電子和離子的絕緣體（電導(dǎo)率為5×10^-30S·cm-1），電子和離子在以硫?yàn)檎龢O材料的正極中的傳輸非常困難。目前，使用硫作為電池正極材料時(shí)，通常將硫負(fù)載到多孔碳等輕質(zhì)導(dǎo)電基體中，利用多孔碳作為硫的導(dǎo)電骨架，該方法有效的克服了純硫電子導(dǎo)電性低所導(dǎo)致的問(wèn)題。然而以多孔碳負(fù)載硫形成的復(fù)合材料作為正極材料的鋰硫電池，在充放電過(guò)程中所形成的中間產(chǎn)物多硫化鋰易溶于電解液溶液中，從而導(dǎo)致正極上的電活性物質(zhì)粉化脫落及溶解損失，且溶解在電解液中的多硫化鋰擴(kuò)散到鋰金屬負(fù)極上，并且反應(yīng)生成的硫化鋰沉淀在負(fù)極的表面，導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增大，最終導(dǎo)致電池的容量衰減。

現(xiàn)有技術(shù)中，采用微孔碳跟硫復(fù)合制得的復(fù)合正極材料可以抑制充電過(guò)程中的多硫化鋰的溶解，使得鋰硫電池獲得較理想的循環(huán)穩(wěn)定性。但是，微孔碳一方面孔容較小，難以容納較多的硫，導(dǎo)致其作為正極材料的有效容量較低，而且，硫復(fù)合到微孔碳中時(shí)，主要是以單分子形態(tài)分散于微孔碳基體中，復(fù)合正極材料的硫的氧化還原性已明顯不同于單獨(dú)的單質(zhì)硫作為正極材料時(shí)的氧化還原性。所以，復(fù)合正極材料的微孔碳中的硫?qū)︿嚨姆烹娖脚_(tái)并不平，是一個(gè)整體低于2V且斜向下的平臺(tái)，明顯低于單獨(dú)的單質(zhì)硫作為正極材料時(shí)的平臺(tái)（≥2V），會(huì)影響鋰硫電池的比能量的提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供一種鋰硫電池正極材料及其制備方法、鋰硫電池，該正極材料利用孔容較大的介孔碳負(fù)載含硫物質(zhì)，利用原位形成的微孔碳層或致密的碳層包覆層來(lái)抑制多硫化鋰的溶解，提高了正極材料的比容量。

解決本發(fā)明技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是提供一種鋰硫電池正極材料，其由內(nèi)核和包覆于該內(nèi)核外的外殼構(gòu)成，所述內(nèi)核為多孔碳和含硫物質(zhì)的復(fù)合物，所述含硫物質(zhì)為單質(zhì)硫和/或多硫化物，所述多孔碳的孔徑為2～100nm，所述含硫物質(zhì)填充于所述多孔碳內(nèi)，所述外殼為致密的碳層或微孔碳層。孔徑小于2nm的碳稱為微孔碳。

優(yōu)選的是，所述含硫物質(zhì)的質(zhì)量占所述多孔碳和所述含硫物質(zhì)的復(fù)合物質(zhì)量的30～80%。

優(yōu)選的是，所述內(nèi)核與所述外殼的質(zhì)量比為（1:1）～（9:1）。

優(yōu)選的是，所述多孔碳的孔徑為55～100nm。

優(yōu)選的是，所述多孔碳為有序介孔碳和/或無(wú)序介孔碳；

所述多硫化物為L(zhǎng)i₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄、Li₂S₂、Li₂S、Na₂S₈、Na₂S₆、Na₂S₄、Na₂S₂、Na₂S中的一種或幾種。孔徑在2～50nm之間的碳稱為介孔碳。

優(yōu)選的是，所述有序介孔碳為CMK-3、CMK-5、CMK-8中的一種或幾種。

本發(fā)明還提供一種鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將孔徑為2～100nm的多孔碳和含硫物質(zhì)混合，所述含硫物質(zhì)為單質(zhì)硫和/或多硫化物，加熱使得所述含硫物質(zhì)熔化，所述含硫物質(zhì)填充于所述多孔碳內(nèi)，得到所述多孔碳和所述含硫物質(zhì)的復(fù)合物；