[發明專利]鋰硫電池用復合正極片、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201811449059.3
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN109671907B
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 易若瑋;楊莉;趙策洲;袁宇丹;劉晨光;趙胤超;林向飛
• 申請（專利權）人: 西交利物浦大學
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/139;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

一種電化學能源技術領域的鋰硫電池用復合正極片、其制備方法及應用，包括納米微孔碳?硫復合材料、導電劑和聚偏氟乙烯；所述復合材料中納米微孔碳的孔徑小于0.8nm。本發明將常見的升華硫的存在形式S₈轉換為短鏈的硫分子S_2?4，避免鋰硫電池在放電過程中生成易溶解的高階多硫化物，杜絕了穿梭效應的發生，提高了鋰硫電池的循環穩定性。

技術領域

本發明涉及的是一種電化學能源領域的技術，具體是一種鋰硫電池用復合正極片、其制備方法及應用。

背景技術

目前急速發展的電動汽車行業受到的最大制約來自電池容量的不足。為了提高單次充電后的行駛里程，人們迫切需求更大單位重量比容量的電源來替代傳統的鋰離子電池。而鋰硫電池是以硫元素作為電池正極的一種二次化學電源，其比容量高達1675mAh/g，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量(300mAh/g)，對于電動汽車行業具有巨大的吸引力。同時，正極活性材料使用的硫單質是一種對環境友好的元素，毒性極低，而且成本低于傳統的鋰離子電池正極材料，因此，鋰硫電池是一種非常有前景的二次電源。

但是硫單質本身的一些缺陷制約了鋰硫電池的商業化應用。其中最主要的問題在于硫與鋰進行反應的中間產物多硫化鋰在有機電解液中容易溶解，并在充放電過程中隨著電解液在正負極之間來回穿梭，即“穿梭效應”。這最終導致正極活性材料的不斷減少，電池充放電效率的不斷降低。

目前主流的解決方案大多基于抑制多硫化物的溶解以控制穿梭效應，而對于穿梭效應的根源，即易溶解高階多硫化物離子(S_6-8^2-)的產生并沒有實質性的解決方案。

有研究致力于制作具有微孔(孔徑1nm)的硫載體，在此小孔徑的限制下硫只能以短鏈同位素形式存在(S_2-4)，因此在反應過程中就杜絕了高階多硫化物的生成，杜絕了穿梭效應的發生。但目前微孔硫載體的制備步驟繁多，條件嚴苛。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出了一種鋰硫電池用復合正極片、其制備方法及應用，將常見的升華硫的存在形式S₈轉換為短鏈的硫分子S_2-4，避免鋰硫電池在放電過程中生成易溶解的高階多硫化物，杜絕了穿梭效應的發生。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種鋰硫電池用復合正極片，包括納米微孔碳-硫復合材料、導電劑和聚偏氟乙烯；所述納米微孔碳-硫復合材料中納米微孔碳材料的孔徑小于0.8nm。

所述納米微孔碳-硫復合材料、導電劑、聚偏氟乙烯的重量比為5～8:1～2:1～2。

所述導電劑包括但不限于導電碳黑、碳納米管、石墨烯。

本發明涉及上述鋰硫電池用復合正極片的制備方法，包括以下步驟：

S₁，納米微孔碳材料制備；

將碳納米材料與聚偏氟乙烯(PVDF)按照重量比1:1～1:3的比例混合均勻，加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)使得聚偏氟乙烯完全溶解，充分攪拌后，將混合物在氮氣氣流保護下，加熱至700～900℃，保溫0.5～4h，降溫至室溫(20～30℃)后取出用去離子水徹底沖洗，50～80℃下真空干燥8～36h后得到表面含有納米級微孔的納米微孔碳材料；

S₂，納米微孔碳-硫復合材料制備；

將得到的納米微孔碳材料與硫粉按照重量比1:0.5～1:2的比例混合均勻，封入真空容器中，加熱到120～200℃，保溫8～12h，冷卻至室溫后取出，得到納米微孔碳-硫復合材料；

S₃，復合正極片制備；