[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?zhí)枺?/td>: 201410001396.1
• 申請日: 2014-01-02
• 公開（公告）號: CN104766957A
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發(fā)明（設計）人: 曾紹忠;趙志剛;王秀田;陰山慧;陳效華
• 申請（專利權(quán)）人: 奇瑞汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/139;H01M10/0525
• 代理公司: 北京天昊聯(lián)合知識產(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、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，所以實際生產(chǎn)的鋰離子電池的比能量遠低于其理論比能量，鋰離子電池的實際比能量處于90～200Wh/kg之間。隨著智能手機和電動車等高耗電產(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)品的長時間的待機需求。

近十幾年，各種新型的高比能量電池被開發(fā)出來，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。但是，室溫下純硫是電子和離子的絕緣體（電導率為5×10^-30S·cm-1），電子和離子在以硫為正極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，通常將硫負載到多孔碳等輕質(zhì)導電基體中，利用多孔碳作為硫的導電骨架，該方法有效的克服了純硫電子導電性低所導致的問題。然而以多孔碳負載硫形成的復合材料作為正極材料的鋰硫電池，在充放電過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散到鋰金屬負極上，并且反應生成的硫化鋰沉淀在負極的表面，導致電池的內(nèi)阻增大，最終導致電池的容量衰減。

現(xiàn)有技術(shù)中，采用微孔碳跟硫復合制得的復合正極材料可以抑制充電過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，導致其作為正極材料的有效容量較低，而且，硫復合到微孔碳中時，主要是以單分子形態(tài)分散于微孔碳基體中，復合正極材料的硫的氧化還原性已明顯不同于單獨的單質(zhì)硫作為正極材料時的氧化還原性。所以，復合正極材料的微孔碳中的硫?qū)︿嚨姆烹娖脚_并不平，是一個整體低于2V且斜向下的平臺，明顯低于單獨的單質(zhì)硫作為正極材料時的平臺（≥2V），會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)問題是針對現(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/或無序介孔碳；

所述多硫化物為Li₂S₈、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)的復合物；