[發(fā)明專利]一種正極活性材料及其制備方法、電池正極和鋰硫電池

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911142040.9
• 申請日: 2019-11-20
• 公開（公告）號: CN112825353A
• 公開（公告）日: 2021-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡倩倩;洪曄;長世勇;董海勇;吳春宇;胡志鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州汽車集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M4/13;H01M10/052
• 代理公司: 深圳眾鼎專利商標代理事務所(普通合伙) 44325
• 代理人: 姚章國

為克服現(xiàn)有鋰硫電池正極存在循環(huán)性能差的問題，本發(fā)明提供了一種正極活性材料，包括多孔碳載體、硫和聚多巴胺層，所述多孔碳載體的外表面和孔洞表面形成有親水基團，所述硫負載于所述多孔碳載體的外表面和孔洞內(nèi)部以形成復合材料，所述聚多巴胺層包覆于所述復合材料的表面。同時，本發(fā)明還公開了上述正極活性材料的制備方法、電池正極和鋰硫電池。本發(fā)明提供的正極活性材料具有較高的電導率和穩(wěn)定性，提高電池循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于二次電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種正極活性材料及其制備方法、電池正極和鋰硫電池。

背景技術(shù)

隨著人類社會的發(fā)展，環(huán)境問題以及能源危機已經(jīng)越來越受到研究者的專注，發(fā)展清潔能源是一件刻不容緩的事業(yè)。鋰電池由于其較少的污染及無記憶效應和較高的能量密度受到人們的關(guān)注，如今已經(jīng)應用在新能源汽車等諸多領(lǐng)域。然而在現(xiàn)有體系下，其能量密度已接近上限，就新能源車而言，意味著續(xù)航里程受到限制，因此發(fā)展更高能量密度的儲能器件已成為迫切的需求。鋰硫電池由于其超高的能量密度(理論為2600Wh/kg)，且原料硫來源廣泛且無污染受到研究者們的關(guān)注。鋰硫電池已經(jīng)出世幾十年，然而并沒有可大批量生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化應用的產(chǎn)品問世。其中原因主要有以下幾點：硫的不導電性，在充放電過程中的穿梭效應及體積巨大變化造成的容量急劇衰減，金屬鋰負極的枝晶等問題限制了其實際應用。自Lindar Nazar于2009年提出多孔碳材料對于鋰硫電池性能有明顯改善起，用多孔碳來負載硫成為提升鋰硫電池性能的重要途徑。由于多孔碳對于構(gòu)筑電極內(nèi)部的導電網(wǎng)絡、促進活性物質(zhì)與電極的接觸、限制多硫化物擴散有重要作用，已被大連化物所，防化所，金屬所的相關(guān)科研工作者應用在鋰硫電池上，并取得不錯的結(jié)果。但是單純采用碳材料來負載硫來實現(xiàn)長壽命硫正極是遠遠不夠的，在眾多的解決硫正極循環(huán)方案中如N摻雜，金屬氧化物，硫化物等對循環(huán)效果的提升有限。

現(xiàn)有一種鋰硫電池的正極，通過將聚多巴胺高分子包覆在多級孔石墨化碳負載硫的復合物上，以改善硫正極的循環(huán)性能，然而聚多巴胺與碳的結(jié)合力較差，需要在多巴胺溶液中額外加入氧化石墨烯，通過氧化石墨烯與聚多巴胺的化學交聯(lián)作用形成備類似貝殼結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，否則易導致聚多巴胺在多次充放電循環(huán)過程中脫落，影響電池循環(huán)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有鋰硫電池正極存在循環(huán)性能差的問題，本發(fā)明提供了一種正極活性材料及其制備方法、電池正極和鋰硫電池。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明提供了一種正極活性材料，包括多孔碳載體、硫和聚多巴胺層，所述多孔碳載體的外表面和孔洞表面形成有親水基團，所述硫負載于所述多孔碳載體的外表面和孔洞內(nèi)部以形成復合材料，所述聚多巴胺層包覆于所述復合材料的表面。

可選的，所述親水官能團包括-CHO、-OH和-COO^-中的一種或多種。

可選的，所述多孔碳載體為石墨烯多孔碳材料。

可選的，所述多孔碳載體的比表面積為375～2400m²/g，孔體積為 0.53～2.24cm³/g。

可選的，所述多孔碳載體為顆粒狀，所述多孔碳載體的粒徑為0.5～10um。

可選的，所述多孔碳載體包括孔徑小于2nm的微孔，孔徑2～50nm的介孔和孔徑50～100nm的大孔。

可選的，所述多孔碳載體和所述硫的質(zhì)量比為10～45：55～90。

可選的，所述聚多巴胺層的厚度為2～20nm。

另一方面，本發(fā)明提供了如上所述的正極活性材料的制備方法，包括以下操作步驟：

將多孔碳載體置于堿液中進行處理后干燥；

多孔碳載體和硫進行混合，加熱使硫滲入至所述多孔碳載體的外表面和孔洞內(nèi)部；