[发明专利]电极复合材料及其制备方法、包含电极复合材料的正极及电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极复合材料。

本发明还涉及一种电极复合材料的制备方法。

本发明还涉及一种具有该电极复合材料的正极。

本发明还涉及一种具有该正极的电池。

背景技术

近年来，随着科技的发展，对能源尤其是可再生绿色能源的需求越来越突出，电池作为能量的储存和转换装置正发挥着不可替代的作用。锂离子电池因其具有很高的质量比能量和体积比能量，吸引了广泛的关注。低成本，高能量密度，长循环寿命，绿色环保的二次电池是目前锂离子电池开发的重点。

目前商品化的正极材料主要是层状或尖晶石结构的锂过渡金属氧化物(如钴酸锂、锰酸锂)和橄榄石结构的磷酸铁锂等。钴酸锂(LiCoO₂)的理论容量相对较大，275mAh/g，但其价格高，有一定毒性，而且该正极材料在过充时易发生放热分解反应，不仅使电池容量明显下降，同时对电池安全也造成威胁；锰酸锂(LiMn₂O₄)的理论容量为148mAh/g，实际容量低于130mAh/g，该正极材料的稳定性不好，在充放电过程中容易引起晶格变形，导致循环效率偏低；磷酸铁锂(LiFePO₄)的理论容量为172mAh/g，该正极材料的导电性差，使得电池的可逆容量降低。上述常用锂离子电池正极材料容量普遍不高，同时也均存在一些问题，不能满足电池开发需求。

单质硫的理论比容量为1675mAh/g，与金属锂组装成电池的理论比能量可达到2600mAh/g，远高于目前已商品化的正极材料，成为当前电池发展的主要趋势。与传统锂离子电池相比，锂硫电池以“整合化学”运行，这使得电池可以接受额外的充电和放电，最小化过充危险，过充现象经常在锂离子电池中发生。尽管有这些优点，但是锂硫电池的产业化发展仍然受限于低循环性和低活性材料利用率，原因有硫的低电子导电性，放电过程产生的中间产物多硫化锂的溶解，负极的高活性，以及硫在锂化过程中的膨胀。为了克服这些缺点，大量研究集中在提升硫的导电性方面和抑制多硫化物溶解方面。将硫分子包覆在导电性能好的材料中，如多孔碳或者导电聚合物，可以增强其导电性。导电聚合物如聚丙烯腈（PAN）和聚吡咯（PPY）是制备硫/导电聚合物的复合材料的常用材料。虽然硫/聚合物复合材料通常能提升锂硫电池的循环性能，但是要明白在所有的这些复合材料中，大量导电聚合物混入到正极中，导致电极中硫的含量（～50%）降低。结果，这预示着这种导电聚合物的方法似乎只适合学术而不能实际应用。另一方面，硫碳复合材料潜在的可以提供较高的硫附载（>60%）。各种碳材料，如大孔碳、中空碳、微孔碳、碳纳米纤维、碳球，已被用于制备硫碳材料。然而，低循环性能和低循环效率仍然存在。最近的一些研究报道，高比表面的多孔活性碳应用与硫正极复合材料的制备。活性碳廉价而且资源丰富，很易从不同材料碳化得到，如木材、煤矿和褐煤。

从电解质方面，除了多硫化物导致的电池性能衰退，液体电解质的使用往往引起安全问题，因为它们易着火和泄漏。以凝胶聚合物电解质替换液体电解质有益于锂硫电池的设计和制造的简化和灵活。凝胶聚合物电解质，由固体基质作为支架，嵌入液体电解质，其可以有效减少液体电解质的泄漏，同时还保持高锂离子导电性。甚者，已有报道表明，凝胶电解质可以减少多硫化锂的溶解以及循环过程中向负极的迁移。

发明内容

本发明的目的是提供一种高电极容量以及电化学可逆性好的电极复合材料。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种电极复合材料，包括活性物质单质硫和活性硬木木炭，所述活性硬木木炭具有多孔，所述单质硫分布于所述活性硬木木炭的孔隙内。

优选地，所述电极复合材料的粒径尺寸范围为10nm-1000nm。

优选地，所述活性硬木木炭比表面积范围为100m²/g-1000m²/g。

优选地，所述电极复合材料中，单质硫的质量分数范围为50%-80%，活性硬木木炭的质量分数范围为20%-50%。

本发明还提供了一种电极复合材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：常温下预定粒径范围的活性硬木木炭加热到700℃-1000℃预处理2-4小时，将原料硫溶解于二甲基亚砜溶剂中并搅拌加热1-3小时形成分散液，加热温度范围100℃-150℃，将加热预处理后的活性硬木木炭加入到上述分散液并继续保持搅拌加热3-5小时，将分散液冷却，过滤并干燥。

优选地，所述电极复合材料中所含的单质硫颗粒平均粒径小于原料硫颗粒平均粒径。