[發明專利]一種鋰硫電池用碳硫復合正極及其制備方法

有效

• 申請號: 202010986303.0
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112072067B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 黃佳琦;李博權;趙夢;彭彥琪
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/133;H01M4/62;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/139;H01M4/1393;H01M10/052
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 黃家俊

本發明公開了屬于鋰硫電池技術領域的一種鋰硫電池用碳硫復合正極及其制備方法。所述碳硫復合正極由依次涂覆在集流體上的碳硫復合層和導電碳層構成；其中，碳硫復合層由硫材料、碳材料I和水系粘結劑構成，導電碳層由碳材料II和有機系粘結劑構成。本發明制備得到的雙層碳硫復合正極，能實現高硫載量、高硫含量、高比容量和長循環壽命的高能量密度鋰硫電池的構筑。所述復合正極的制備方法操作簡便、成本低廉、容易放大，有效地推動了鋰硫電池正極的設計與制備，為高能量密度的鋰硫電池實用化提供了新的可能性。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種鋰硫電池用碳硫復合正極及其制備方法。

背景技術

高性能的可充電電池在電動汽車、消費電子和智能電網等領域中發揮了不可或缺的作用。然而，目前商業化的鋰離子電池的能量密度趨于其理論極限，無法實現超過400Whkg^?1的高能量密度需求。鋰硫電池使用硫單質作為正極活性材料，金屬鋰作為負極活性材料，理論能量密度高達2600 Whkg^?1，被認為是極具前景的高能量密度二次電池體系并受到廣泛的關注。然而，鋰硫電池的實際應用仍然面臨諸多挑戰，包括充放電產物硫和硫化鋰的電子導率低、循環過程中發生顯著的體積形變以及多硫化物中間體的溶解和穿梭等。

2009年NazarLF等人提出了硫/納米碳復合正極的策略，可以有效地解決硫和硫化鋰電子離子絕緣的基本問題。隨后，碳硫復合正極受到了廣泛的研究和關注。然而，傳統的碳硫復合正極中硫的質量分數通常低于60%，硫的面載量通常低于2mgcm^?2，硫的實際比容量通常低于1000 mAhg^?1，無法實現高能量密度的鋰硫電池的構筑。因此開發高硫含量、高硫載量和高比容量的碳硫復合正極至關重要。

由于硫和硫化鋰的電子離子絕緣性，簡單地提升硫含量和硫載量會導致其比容量和循環性能的大幅度降低。碳硫復合正極的結構設計能夠有效地提升高硫含量和高硫載量正極的電化學性能。其中，碳硫雙層復合結構受到了一定的關注。現有技術由二層材料重疊后熱復合而成的一體化膜電極，采用機械熱復合的方法處理底層集流體和硫復合材料層，但是這種方法極易引起正極內部硫材料的升華，導致不必要的結構變化和活性硫的散失；同時該方法在隔膜修飾碳材料進而與碳硫復合層機械復合，這種機械復合的固固界面會增加碳硫正極的阻抗，降低離子導率和電子導率，不利于高硫含量和高硫載量硫正極的容量發揮與保持。現有技術中還通過真空低溫等離子體濺射法，在碳硫復合層表面涂覆一層多孔碳層。然而，該工作中碳硫復合正極的設計未能同時實現高硫含量和高硫載量的目標，且復合正極制備過程復雜，對實驗的精度要求較高，不適用于大規模實用化體系。另一方面，使用具有多級結構的納米碳或其它有機/無機材料與硫復合可以改善高硫含量和高硫載量碳硫復合正極的電化學性能。然而，引入上述復雜的納米結構組分增加了制備流程的復雜程度并提高了電極的制作成本，不利于碳硫復合正極的大規模制備，也因此難以實際應用于高能量密度鋰硫電池的構筑。因此，高硫含量、高硫載量和高性能的鋰硫電池正極仍需要進一步的合理設計和實用化開發。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種鋰硫電池用碳硫復合正極，所述碳硫復合正極由依次涂覆在集流體上的碳硫復合層和導電碳層構成；

其中，碳硫復合層由硫材料、碳材料I和水系粘結劑構成，導電碳層由碳材料II和有機系粘結劑構成。

碳硫復合層中水系粘結劑的質量分數為5~15%，硫材料的質量分數為65~85%；余量為碳材料I；

導電碳層中有機系粘結劑的質量分數為1~10%，余量為碳材料II。

導電碳層的厚度為0.1~100 μm；碳硫復合層的厚度為20~100 μm。

碳硫復合層中水系粘結劑為聚丙烯酸、羧甲基纖維素、LA133和聚乙烯醇中的一種或幾種；碳材料I為碳納米管、石墨烯、炭黑、中間相碳微球、富勒烯、多孔碳和活性炭中的一種或幾種；硫材料為升華硫；硫材料的面載量為2~8 mg cm^?2。