[发明专利]一种锂-硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域。特别是一类锂二次电池正极材料。

背景技术

锂离子电池是目前综合性能最好的二次电池，已经广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等便携式电子产品及电动工具。随着各种规模的储能电站、电动汽车、智能电网的迅猛发展，对锂离子电池能量密度和功率密度的要求也越来越高。但是，受电池体系和电极材料理论储锂容量的限制，即使考虑到今后采用具有更高比容量的正负电极材料和更先进的设计与制造技术，锂离子电池的比能量也将停留在300Wh kg^-1左右。因此，使用锂离子电池的纯电动汽车难以达到能与现有燃油车相比拟的续驶里程（通常在500km左右，要求电池比能量达到350Wh Kg^-1以上）。在目前正在研究的各种二次电池体系中，只有锂-硫（Li-S）电池和锂-空气电池能够胜任高比能量的要求。

单质硫作为锂离子电池正极材料，其理论容量可高达1675mAh/g，理论能量密度达2600Wh/kg。硫的储量丰富，单质硫廉价、无毒性。所以，锂-硫电池是未来锂二次电池的发展方向之一。美国SION POWER公司已经推出比能量达到350Wh kg^-1的原型锂-硫电池，未来锂-硫电池的比能量将有望达到或超过达到650Wh kg^-1。因此，锂-硫电池是一种有望满足高能量密度动力要求，又具有廉价环保特性、极具推广意义的二次锂电池，可以满足不同场合对高性能电池的重大需求。

但是，由于单质硫的低电导率特点以及单质硫与锂反应生成的众多中间产物（多硫化物）易于溶入电解液，导致活性物质流失、电池自放电和电极钝化等问题，目前通常是将单质硫装载（装填、附着、混合、外延生长、包覆等）在各类具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能特征的碳素类材料、导电高分子材料中，形成复合材料，以限制循环过程中多硫化物溶入电解液和由此引起的各种负面作用。这种复合方法不仅提高了硫正极的导电性，而且有效减缓了多硫化物向电解液的溶解。但是，这些载体材料的共同缺点是，在硫电极具有电化学活性的电压范围（0.8-3.5V）内，载体材料本身都是不具有电化学活性的，或者说这些载体自身都不具有储存锂能力。因此，这类载体材料的使用，浪费了硫电极中宝贵的空间和质量，降低了硫复合电极（单质硫或硫化锂+载体材料）的比容量，也就降低了锂-硫电池的比能量。

发明内容

本发明的目的是，以在硫电极工作电压范围内具有储锂能力的多孔材料负载单质硫或硫化锂，构成复合材料，克服目前锂-硫电池活性物质利用率低、容量衰减迅速、硫电极整体比容量偏低的缺点，提高硫电极和锂-硫电池的比容量与比能量。

本发明的另一目的是提供一种锂-硫电极正极材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的锂-硫电池正极材料，是由在锂-硫电池工作电压范围内具有一定储锂容量的载体材料与单质硫或硫化锂复合而成；

所述载体材料为含有一种化合物或者由多种化合物复合而成的材料，该化合物由金属和非金属两部分组成；

所述金属为含Li、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Ce、W、中的一种或它们之间的组合；

所述非金属部分是H、B、C、N、O、F、Si、P、S、Cl、As、Te、I、B之一或它们之间的组合（如PO₄^-，CO₃^-等），或者这些非金属元素中的一种或几种与上述金属元素中的一种或几种的组合（如AlO₂^-）。

所述载体材料相对于金属锂具有电化学活性的（具有储锂能力）的电压范围为0.8V至3.5V。

优选各种（含锂）氧化物（Li_xMO_y）、（含锂）硫化物（Li_xMS_y）、（含锂）氮化物（Li_xMN_y）、（含锂）磷化物（Li_xMP_y）、（含锂）氟化物（Li_xMF_y）、（含锂）硼化物（Li_xMB_y）其中0≤x≤5,1≤y≤8，M=Mg、Al、Si、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、Al、In、Sn、Sb、Si。