[發明專利]一種鋰硫電池復合正極材料及其制備方法及鋰硫電池應用

有效

• 申請號: 201710210374.X
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN108666537B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 劉晉;李劼;張智;林月
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發明公開了一種鋰硫電池復合正極材料及其制備方法和鋰硫電池。該復合正極材料由包括單質硫、金屬?非金屬元素共摻雜導電石墨化碳材料和導鋰聚合物在內的原料復合而成；其制備過程時將金屬?非金屬共摻雜導電石墨化碳材料、導鋰聚合物與溶有單質硫的溶液攪拌混合后，通過揮發溶劑，熱處理，即得具有較高導電性，能提高活性物質硫的利用率的復合正極材料，且其制備方法簡單、工藝條件溫和，極大地降低了鋰硫電池正極材料的生產成本，滿足工業生產要求；該復合正極材料制成鋰硫電池具有高放電比容量、穩定的循環性能和較高安全性能，且無需集流體，無需添加導電劑和粘結劑。

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池復合正極材料及全固態鋰硫電池應用，具體涉及一種低成本、高載硫量的鋰硫電池復合正極材料及其制備方法，還涉及一種高能量密度、高功率密度及快速充放電的鋰硫電池，屬于電化學能源技術領域。

背景技術

隨著科學技術的發展，環境與資源問題日益凸顯，開發綠色、高效、可再生的新能源儲能器件已成為目前各國發展的重要戰略和研究熱點。以單質硫為正極，金屬鋰為負極組成的鋰硫電池具有高理論比容量(1675mAh g^-1)和質量能量密度(2600Wh kg^-1)，被視為極具開發潛力和產業化的下一代電池系統之一。然而，單質硫及其放電產物多硫化鋰幾乎不導電，嚴重降低了鋰硫電池的電子傳輸效率及電化學反應效率；充放電過程中形成的可溶多硫化物中間體易發生“穿梭效應”，也會使得正極活性物質流失，導致電池壽命縮短；同時，在電池正極的制備過程中需要鋁箔作為集流體，并添加額外的導電劑和粘結劑。這些物質的加入都極大地增加了電池器件的生產成本和電池的總體重量，嚴重降低了電池器件的質量比能量密度和質量比功率密度。因此，開發具有優異電子導電性、離子電導性和固硫協同效應的宿主材料和實現無集流體，無導電劑和無粘結劑的鋰硫電池正極結構優化已成為鋰硫電池研發和商業化發展的必然趨勢。

發明內容

針對現有技術中的鋰硫電池存在容量發揮低、循環性能差以及制備成本高等問題，本發明的第一個目的是在于提供一種電子導電性、導鋰離子性好，載硫量高，且能將多硫化物穩定束縛在正極區域，活性物質硫利用率高的鋰硫電池復合正極材料。

本發明的第二個目的是在于提供一種操作簡單、工藝條件溫和、低成本制備鋰硫電池復合正極材料的方法。

本發明的第三個目的是在于提供一種具有高倍率性能、循環性能穩定、高溫穩定性的鋰硫電池；該復合正極材料制備正極時無需添加集流體、導電劑和粘結劑等，且該復合正極材料中包含了高電子導電的金屬納米粒子(Fe、Co、Ni、Mn、Al、Ti、Mo)和石墨化碳以及具有較高鋰離子傳導性的導鋰聚合物，金屬納米粒子和非金屬元素有助于在充放電產物即多硫化物強烈的化學束縛，基于材料的結構和組成等特點，該復合正極材料制備的鋰硫電池可以顯著提高其綜合電化學性能。

本發明提供了一種鋰硫電池復合正極材料，包括單質硫、金屬-非金屬元素共摻雜導電石墨化碳材料和導鋰聚合物；所述金屬-非金屬元素共摻雜石墨化碳材料中，摻雜的非金屬元素為磷、氮、氟、硼、硫、氯中至少一種，摻雜的金屬元素為Fe、Co、Ni、Mn、Al、Ti、Mo中至少一種。所述金屬-非金屬元素共摻雜石墨化碳材料中金屬元素以金屬納米顆粒形式摻雜在石墨化碳中，非金屬以共價鍵形式摻雜在石墨化碳中。