[發(fā)明專利]一種鋰硫電池正極材料、正極及其制備和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811342206.7
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109301254A
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 賴延清;洪波;向前;張林;張治安;張凱;方靜
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/13;H01M10/052
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發(fā)明屬于鋰硫電池領(lǐng)域，具體提供了一種鋰硫電池正極材料，包括正極活性材料、導(dǎo)電劑和添加劑，所述的添加劑為連二亞硫酸鹽、連四硫酸鹽以及硫代金屬酸鹽中的至少一種；所述的硫代金屬酸鹽為硫代鎢酸鹽、硫代鉬酸鹽、硫代釩酸鹽、硫代鈮酸鹽、硫代錸酸鹽中的至少一種。所述添加劑加速了放電中間產(chǎn)物多硫化鋰(Li₂S_x，4≤x≤8)向終產(chǎn)物L(fēng)i₂S或Li₂S₂的轉(zhuǎn)化，緩解了多硫離子向負極的擴散，有效抑制了“穿梭效應(yīng)”，從而提升了正極的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池添加劑及含有該添加劑的正極材料，屬于鋰硫二次電池領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著社會的發(fā)展，一方面，大眾對于便攜式電子產(chǎn)品的性能要求不斷提高；另一方面，人們逐漸增強的環(huán)保意識及對不可再生資源的認識使得各種規(guī)模的儲能電站、電動汽車、智能電網(wǎng)開始迅猛發(fā)展。這兩方面原因使得人們對鋰離子電池能量密度和功率密度的要求越來越高，但是，受電池體系和電極材料理論儲鋰容量的限制，當前綜合性能最好的鋰離子電池體系已經(jīng)很難滿足未來社會對于高比能量的要求。

鋰硫電池因其理論能量密度(2500Wh/kg)遠高于現(xiàn)有鋰離子的能量密度(200Wh/kg)而成為鋰離子電池最具前景的替代者。但是Li-S電池在鋰化/脫鋰過程中，硫正極反應(yīng)的中間產(chǎn)物多硫化物會溶于醚類電解液并從正極遷移面出，進而在負極或電池其他部位發(fā)生歧化反應(yīng)形成不溶的Li₂S或Li₂S₂，沉積在負極或其他不導(dǎo)電區(qū)域的Li₂S或Li₂S₂會失去活性，導(dǎo)致電池活性物質(zhì)持續(xù)損失及電池容量不斷衰減。

針對鋰硫電池多硫化鋰穿梭問題，最普遍的策略是采用具有高比表面積的納米結(jié)構(gòu)碳材料，將硫吸附于碳材料孔洞中，通過物理限域來阻止多硫化物穿梭。如專利CN201410256653公開了一種氮摻雜石墨烯包覆納米硫正極復(fù)合材料，納米硫顆粒被氮摻雜石墨烯片層均勻包裹，這有效地抑制鋰硫電池中多硫化物的溶解和穿梭效應(yīng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。專利CN102208645A將無定型碳包覆硫基正極活性材料表面上，正極材料顆粒為10納米～10微米，無形型碳層厚度為1～5納米，顯著的提高正極材料的導(dǎo)電性。碳材料包覆對抑制多硫化物穿梭具有一定作用，但隨著充放電過程中硫的反復(fù)溶解與沉積，硫活性物質(zhì)會逐漸從碳內(nèi)部遷移到表面，使得碳材料喪失作用。考慮到多硫離子的具有極性，因此非極性的碳材料對多鋰離子的物理吸附作用十分有限，研究者們又提出在碳材料或電池隔膜上負載一些具有極性的金屬化合物(氧化物、硫化物、氮化物等)，利用這些化合物與多硫離子的化學(xué)吸附作用來抑制其穿梭，CN201810343617在傳統(tǒng)的硫正極片上再涂覆一層基于氮化物/石墨烯的隔層；由于該隔層中氮化物和石墨烯的存在，不僅使得電池的導(dǎo)電性得到提升，還能夠有效地抑制多硫化物的擴散，從而有效緩解穿梭效應(yīng)并提高電池的電化學(xué)性能。CN201810129954則通過在鋰硫電池隔膜中加入帶有片層狀結(jié)構(gòu)的二硫化鎢，可有效的限制多硫化物的穿梭效應(yīng)，提升鋰硫電池的電池性能。上述方法在硫極片低面密度、低硫載量的情況下確實具有一定的效果，但隨著極片載硫量升高，充放電過程中的多硫化物會急劇增加，僅僅靠化學(xué)吸附作用來牽制多硫化物以抑制其穿梭并不現(xiàn)實。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種正極材料，旨在解決多硫化合物穿梭問題，提升鋰硫電池電學(xué)性能。

本發(fā)明第二目的在于，提供一種所述的正極材料的制備方法。

本發(fā)明第三目的在于，提供一種包含所述正極材料的正極。

本發(fā)明第四目的在于，提供所述的正極的制備方法。

本發(fā)明第五目的在于，提供一種裝配有所述正極的鋰硫電池。