[發(fā)明專利]一種鋰硫電池多孔正極及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN111653728B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設計）人: 賴延清;洪波;向前;王大鵬;張雪亞;張治安;張凱;方靜
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M4/139
• 分類號: H01M4/139;H01M4/13;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: 盛武生;魏娟

本發(fā)明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種鋰硫電池多孔正極的制備方法，通過一次正壓載硫使部分硫預先負載至多孔碳材料中，另一部分硫作為造孔劑與正極漿料混合涂布在集流體上制成極片并輥壓后，再在正壓條件下進行第二次載硫，從而獲得既具有一定壓實密度，又具有豐富孔洞的鋰硫電池正極片。該制備方法彌補了現(xiàn)有鋰硫電池極片不輥壓則硫碳材料孔洞太多，電子導電性差；輥壓則硫碳材料孔洞被完全壓實，電解液無法浸潤導致極片離子導電性差的矛盾，實現(xiàn)了同時具備高硫載量、高電子導電性及高離子導電性的鋰硫電池多孔極片的制備。

技術領域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池領域，特別涉及一種鋰硫電池多孔正極的制備方法。

背景技術

鋰硫電池是通過硫-硫鍵的電化學斷裂和重新鍵合而實現(xiàn)電能與化學能相互轉換的儲能體系，其利用S/Li₂S相互轉化的雙電子得失反應，可獲得約1670mAh/g的正極比容量。硫正極與鋰負極配合的鋰硫電池理論比能量可以達到2600Wh/kg，是目前商品化鋰離子電池的3-5倍。同時，硫正極具有資源豐富、成本低廉、對環(huán)境友好等優(yōu)勢，使得鋰硫電池成為最具前景的高能量密度二次電池之一，是電化學儲能領域的主要發(fā)展方向與前沿課題。

但是鋰硫電池的發(fā)展也存在很多問題。首先是由于單質硫的電子導電率極低，因此需要添加大量碳材料提高活性物質硫的利用率。但是，碳材料太多會降低極片載硫量，從而降低電極容量。其次，單質硫還原生成Li₂S的過程是一個多步反應，其中間產(chǎn)物多硫化鋰需要溶解到電解液中再轉化為S或Li₂S，這使得電解液對極片的浸潤性會直接影響反應界面的離子傳導，從而影響活性物質利用率。因此，鋰硫電池正極極片必須具有高的載硫量以保證電極容量；其次，鋰硫電池正極極片還要具有良好的電子導電性以使充放電終產(chǎn)物能盡可能多的參與反應；再次，鋰硫電池正極極片必須具有豐富的孔洞，以便電解液充分浸潤極片，便于鋰離子遷移及多硫化物溶解轉化。

現(xiàn)有的鋰硫電池正極極片的制備方法通常為將硫碳復合正極材料與粘結劑、分散劑制作成漿料狀，涂布在集流體上干燥后制得。由于極片不進行輥壓，活性材料堆積過于疏松，使得極片導電性較差。另外，電極的壓實密度過低，活性物質層壓實不牢易導致掉料并引發(fā)電池內(nèi)短路等問題。但是，如果鋰硫電池極片直接進行輥壓，則極片孔洞易被壓實，電解液無法充分浸潤極片，使得鋰離子遷移及多硫化物溶解轉化受阻，導致電極性能很差。因此，制作同時具備高載硫量、高電子電導性且具有豐富孔洞(高離子導電性)的多孔極片成為鋰硫電池正極片的研發(fā)方向。

CN100346523C中采用的方法是在活性物質混合過程中加入一種增塑劑，待極片干燥并輥壓后使用特定的有機溶劑將增塑劑溶解，在電極中形成孔道。該種方法雖然從一定程度上增加電極內(nèi)部微型孔道容積，但是制作過程繁瑣，且過程中需引入多種高揮發(fā)性、對環(huán)境及操作人員有害的有機溶劑，有其自身的弊端。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題，本發(fā)明提出了一種鋰硫電池多孔正極制備方法，目的是在利用二次載硫技術，解決鋰硫電池正極片存在的高載硫量、高電子導電性及高離子導電性三者不能協(xié)同的問題。

本發(fā)明目的在于制備一種多孔正極，早期嘗試將正極活性材料、導電劑、粘結劑漿化后熱處理，再進行熱處理，使硫吸入導電劑中，在正極材料中形成一定的孔，但研究發(fā)現(xiàn)，該種一次載硫方案的效果有限；探究其原因主要在于，該種方案的硫載量直接決定極片孔率，如果載硫量較高，硫吸入孔洞或揮發(fā)后會在極片中形成相應量的孔洞，這雖然提高了電解液浸潤性及離子電導率，但孔率太高會嚴重降低極片電子導電性；而如果硫含量較低，雖然能保障極片的電子及離子導電性，但極片的載硫量太低會使得電池容量很低。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為成功制備電學性能優(yōu)異的多孔正極，必須要解決鋰硫電池正極片存在的高載硫量、高電子導電性及高離子導電性三者不能協(xié)同的問題。為解決該技術問題，本發(fā)明提供了一種全新的技術方案：

一種鋰硫電池多孔正極的制備方法，該方法包含以下步驟：