[發明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和鋰硫電池

在審

• 申請號: 202011145470.9
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN114497550A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 張宏;崔晶;陳雪;張培斌
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/052;H01M10/058;C08G69/28;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京知舟專利事務所(普通合伙) 11550
• 代理人: 鮮瑩

本發明提供了一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和鋰硫電池。所述正極材料包括正極材料層和其表面的限域層，其中所述限域層為聚酰胺層。本發明通過界面聚合技術在正極材料層表面構筑一層超薄限域層。該超薄限域層在保證活性硫高利用率通過的同時，利用孔徑篩分效應和化學吸附效應對正極材料在充放電過程中的中間產物多硫化物進行雙重限域作用，緩解多硫化鋰在正負極間的穿梭效應，從而提高鋰硫電池的電化學性能。本發明技術方案簡單易行，易于推廣，有利于加速鋰硫電池的工業化應用。

技術領域

本發明涉及電池材料技術領域，具體地說，是涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和鋰硫電池。

背景技術

鋰硫電池以高比容量的單質硫為正極材料，其理論能量密度可達2600Wh·kg^-1。同時，單質硫還具有儲量豐富、價格便宜、環境友好等優勢。因此，鋰硫電池被認為是極具研究價值和發展潛力的新型電池體系。然而，鋰硫電池中硫正極在循環過程中產生的多硫化物(Li₂S_x(x＝4-8))極易溶解于電解液中。溶解的高價態多硫化物，在濃度梯度作用下會遷移至金屬鋰負極并與之反應，轉化成短鏈多硫化物；短鏈多硫化物又擴散回正極并再一次被氧化成長鏈多硫化物，使得電池內部產生“穿梭效應”。這種穿梭效應會引起鋰負極和活性物質的持續消耗，導致較低的庫倫效率，同時會嚴重影響充放電曲線中的高電壓平臺區域。

常規鋰硫電池正極材料所使用簡單碳體系對于多硫化物的限域能力有限，不能有效抑制穿梭效應。為提高鋰硫電池的循環穩定性，研究者們提出了采用雜原子摻雜碳材料、多級孔結構碳材料、金屬化合物(氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等)等作為宿主材料，截留或吸附多硫化物等方法。這些方法具有一定局限性：摻雜碳材料中雜原子含量有限，導致吸附多硫化物的位點有限，且過量的雜原子摻雜會改變碳材料的共軛結構，顯著降低導電能力；多級孔結構碳材料制備過程繁瑣；金屬化合物本征導電性能較差，影響反應動力學性能，并降低硫的利用率。鑒于此，采用簡單有效正極材料進行功能化改性對提高鋰硫電池的整體性能具有重要意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題之一是克服現有技術的缺陷和不足，提供一種鋰硫電池正極材料。本發明采用界面聚合法對正極材料進行表面改性，在其表層聚合形成具有納米級別孔徑的超薄限域層，改性正極材料可通過孔徑篩分和化學吸附等限域作用抑制多硫化物的遷移，提高鋰硫電池的庫倫效率和循環穩定性。

本發明所要解決的技術問題之二是提供一種上述解決技術問題之一所述的改性正極材料的制備方法。

本發明目的之一為提供一種鋰硫電池正極材料，包括正極材料層和其表面的限域層，其中所述限域層為聚酰胺層。

上述技術方案中，優選地，所述正極材料層包括硫粉、導電劑和粘結劑。

進一步地，所述硫粉選自單質硫、多硫化鋰、硫基復合材料、碳硫材料中的至少一種；

進一步地，所述導電劑選自乙炔黑、導電石墨、碳納米管、石墨烯、碳黑Super P、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、摻雜型聚乙炔中的至少一種；

進一步地，所述粘結劑選自聚偏氟乙烯、羧甲基纖維素、聚丁苯橡膠、植物多酚/水溶性聚合物、巰基類化合物、植物膠/復合膠類化合物中的至少一種。

上述技術方案中，優選地，所述限域層通過將多元胺與多元酰氯在正極材料層表面進行界面聚合而得到。

上述技術方案中，所述限域層的孔徑為0.2～2.0nm，厚度為40～160nm；優選地，所述限域層的孔徑為0.3～1.5nm，厚度為50～110nm，進一步優選地，所述限域層的孔徑為0.3～1.0nm，厚度為50～100nm。

上述技術方案中，所述鋰硫電池正極材料還包括集流體，所述正極材料層覆蓋在所述集流體上。

其中，所述集流體優選自鋁箔、鎳網、泡沫鎳中的一種。