[发明专利]新型锂-硫电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂电池，特别涉及一种新型锂-硫电池及其制备方法。

技术背景

锂-硫电池以其不可比拟的高比容量和能量密度以及材料的价格低廉、存储量大等优越性受到了研发人员的重视，尤其是近几年国内外对锂-硫电池的研究相当活跃，技术突破已达到实际应用的阶段。传统的Li/S电池，都是将活性物质硫或硫化物固定在正极，假设正极的硫完全反应生成Li₂S,则可以释放的理论比容量为1672 mAh/g,理论比能量为2600 Wh/Kg，比目前商用的金属氧化物等正极材料高出了一个数量级的性能，堪称是最有潜力的新一代锂离子电池，为电动汽车，混合动力车、航天航空等高耗能器件提供能量，同时又可以作为廉价高效的储能电池。在科研领域，主要力量都集中在研究正极上，制备多样化的含硫正极材料，如合成纳米尺寸的硫，合成碳-硫复合物以及含硫导电聚合物等来提高硫的利用率，抑制中间产物聚硫阴离子溶解于电解液，提高充放电效率。在电池行业中，国内外一些企业已经研发出高能密度的锂-硫电池并付诸生产应用。近来国际上号召对锂-硫电池性能改进的工作不能仅仅局限于正负极材料，也应该注重整个电池体系的设计构造上的创新，如用导电碳膜作为插层的方法来设计电池结构，改善锂-硫电池循环性能，提高充放电效率。然则，纵观前述的技术都是围绕合成含硫复合正极，通过复杂的合成方法、昂贵的原料和高端的技术以期获得较好的性能，但是由于无法完全避免活性物质的损失，循环性能还是存在不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种新型锂-硫电池，其具有结构简单化、低成本、工艺简便等特点，同时还具有较好的容量发挥性能。

本发明的另一目的在于提供一种制备前述新型锂-硫电池的方法。

为实现上述技术目的,本发明采用了以下技术方案:

一种新型锂-硫电池，包括正极、电解液和含锂负极，所述电解液包含溶剂及电解质，其中，所述电解液中还含有硫和/或硫化物，所述电解质包括锂盐。

进一步的，所述含锂负极包含金属锂或锂合金，所述锂合金包含锂与Ｈ、Na、K、Be、Mg、Ca、Ag、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Zn、Pb、N、P、Sb、Bi、Se和Te中的任意一种或两种以上的组合。

所述电解液中所含硫元素的浓度优选为0.05-10 mol/L。

所述电解液中所含锂盐的总浓度优选为0.5-10 mol/L。

作为较为优选的实施方案之一，所述电解液中还含有用以保护含锂负极的负极保护添加剂，所述负极保护添加剂可选自但不限于硝酸盐、烷氧基硅烷等。

所述溶剂包括至少用以溶解锂盐的第一溶剂和用以提升单质硫和/或硫化物溶解度的第二溶剂，所述第一溶剂包括醚类溶剂，所述醚类溶剂可选自但不限于1,3-二氧环戊烷或二乙二醇二甲醚等，所述第二溶剂可选用但不限于二硫化碳、苯或其衍生物、甲苯和四氢呋喃或其衍生物等。

作为较为优选的实施方案之一，所述溶剂中第一溶剂的总体积与第二溶剂的总体积之比为0.95~0.50：1。

作为较为优选的实施方案之一，所述正极包括多孔电极，所述多孔电极包括集流体和涂覆在所述集流体上的混有粘结剂的导电粉末；

或者，所述多孔电极包括通过电沉积或微加工方法形成的多孔导电结构。

作为较为优选的实施方案之一，所述含锂负电极包括锂或锂合金电极。

作为较为优选的实施方案之一，该新型锂-硫电池的制备方法可包括：

（1）提供正极，包括：

a. 取多孔导电材料、粘结剂和溶剂混合形成正极浆料，并涂覆在集流体上，经干燥后形成正极；或者，

b. 取电沉积或化学沉积溶液在衬底上沉积形成合金层，而后刻蚀除去合金层中的一种以上选定合金成分和/或衬底物质，形成具有多孔结构的正极；

（2）提供含锂负极，包括：

a．取电沉积溶液在导电集流体上沉积形成锂或含锂合金界面层；

b．直接将锂或含锂合金裁剪成所需的形状并与电池引出电极相复合；

（3）提供电解液，包括：

ⅰ. 取升华硫单质溶解在二硫化碳中，且溶解饱和；

ⅱ. 取负极保护添加剂溶解于主要由体积比为１:１的1,3-二氧环戊烷和二乙二醇二甲醚形成的混合溶剂中，且所述混合溶剂中含有１M的锂盐；

ⅲ. 取步骤ⅰ所获混合物与步骤ⅱ所获混合物按照2：8-3：7的体积比混合，获得电解液备用；

（4）取所述正极、含锂负极及电解液组合形成新型锂-硫电池。