[发明专利]一种锂硫电池正极的制备方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种锂硫电池正极的制备方法，属于化学储能电池领域。

背景技术

金属锂硫二次电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系。单质硫与锂反应的理论比容量为1675mAh/g，质量比能量达2600Wh/kg(金属锂与硫完全反应后生成Li₂S)，远远高于现行的传统锂离子二次电池材料如LiCoO₂、LiMnO₂和LiFePO₄等。同时硫又具有来源丰富、价格便宜、环境友好、电池体系安全性较好等优点。然而，仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用。

首先，单质硫在室温下是电子和离子的绝缘体(5×10^-30S/cm,25℃)，在室温下不具备基本电化学活性；其次硫还原生成Li₂S的过程是一个多步反应，其中间产物多硫化锂易溶于有机液态电解液，多硫化锂的大量溶解会导致一部分的活性物质流失，还会导致电解液粘度的增大及离子导电性的降低。而且部分溶解了的多硫化锂扩散至负极还会与锂发生自放电反应，进一步恶化电池的性能。从而导致硫正极活性物质利用率低，电池循环寿命缩短。

同时为了改善锂硫电池的循环寿命，一系列以乙二醇二甲醚、1,3-二氧五环、四氢呋喃、二甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚等有机溶剂以及它们的混合溶剂的电解液有效延长了电池寿命，这类溶剂在一定程度上能抑制单质硫放电产物的溶解从而改善电池的循环性能。随着聚合物和凝胶电解质的发展，采用纯固态的电解质并结合特殊的电池设计技术，可以较大程度的抑制放电产物的溶解，但是单质硫电极本身导电性等问题始终未得以解决。

传统锂硫电池中的正极制备生产中，由于单质硫的绝缘性和放电产物的溶解流失，需要掺入大量的导电剂、粘结剂，同时为解决材料的循环寿命问题，多数合成的锂硫电池中含有类吸附剂的成分用于吸附中间放电产物的流失，从而大幅度降低了电池的整体容量和比能量。直接生长或沉积正极材料制备正极的方法被广泛应用于生产新一代的高比能电池中，如Wang等采用电化学原位聚合法在集流体表面直接聚合导电聚吡咯，再将其应用于锂离子电池中，取得了很好的电化学性能和电池比能量。

发明内容

为解决锂硫电池电极的导电性差和放电产物溶解问题，本发明的目的在于提供一种新型的锂硫电池正极的制备方法，在提升电池整体性能的同时，也简化了电极的制备工艺。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锂硫电池正极的制备方法，所述方法为通过电化学刻蚀法在集流体表面形成纳米多孔道结构，然后将硫导电聚合物或单质硫沉积或者复合在集流体纳米多孔道结构的表面或内部，得到所述锂硫电池正极。

优选所述集流体为铝箔。

优选所述方法的具体步骤如下：

步骤一、电化学刻蚀铝箔，刻蚀条件为在直流电作用下，以石墨棒为阴极，铝箔为阳极，电解液为含有10wt%盐酸和3wt%氯化铝的水溶液，电流密度为400-800mA/cm²，刻蚀温度为50～80℃，刻蚀时间为10～30min。刻蚀后在铝箔表面形成具有高密度的纳米多孔直线道结构；

步骤二、通过热处理、溶液交换或化学合成方法，将单质硫或硫导电聚合物沉积到铝箔刻蚀后的多孔道结构中；

步骤三、将步骤二得到的沉积有硫或硫导电聚合物的铝箔先用无水甲醇再用水冲洗，干燥后得到所述锂硫电池正极。

为了检测本发明制备得到的锂硫电池正极的电化学性能，本发明将该正极组装制备得到二次锂电池，所述二次锂电池包括正极活性材料、负极、电解质和隔膜，其中：正极活性材料为本发明所述锂硫电池正极的制备方法得到的锂硫电池正极，负极为金属锂或含锂金属合金，如Li、Li-Sn、Li-Si或Li-Al合金；电解质为有机液态、离子液体、固态或凝聚态的电解质。

将上述制备的二次锂电池在室温下以100mA/g的电流密度充放电，正极活性材料放电比容量为500-1500mAh/g，平均放电电压为2.1V（vs.Li/Li+），活性物质的利用率在60-90%之间，电池在循环50周后还保持较高的比容量，表现出了良好的循环稳定性，所制得的二次锂电池能量密度高于300Wh/kg。

有益效果