[发明专利]一种锂硫电池用正极材料及制备和应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用正极材料及其制备和应用，正极材料由硫单质颗粒和金属硫化物构成，一种或二种以上的金属硫化物包覆于硫单质颗粒表面；所述金属硫化物的金属为Zn、Fe、Cd、Pb、Cu或Ag中的一种或二种以上。由于金属硫化物本身具有半导体性质，可以提供一定的电子导电能力；金属硫化物具有良好的锂离子传输能力，保证了紧密包覆条件下的锂离子传输；金属硫化物在硫单质表面的包覆可以在温和的化学环境中实现，简单易行。

技术领域

本发明涉及锂硫二次电池材料及其制备领域，具体涉及一种锂硫电池正极材料及制备方法。

背景技术

随着日益增长的便携式电子产品的需求，高能量密度的二次充电电池逐渐成为研究重点。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200Wh 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。

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填充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。

然而，通常的材料表面包覆方法是在颗粒表面包覆有机物，然后在还原气氛下煅烧形成包覆产物。但是硫在高温下煅烧会气化，因此常规的包覆方法不适用于硫的碳包覆，硫的碳包覆往往需要极为苛刻的包覆条件，制备过程复杂。

另一方面，这种方法提高了硫正极的导电性，有效减缓了多硫化物向电解液的溶解。但是，为了更好的达到降低多硫化物的溶解，往往需要碳材料包覆层较厚，虽然保证了较好的导电性，但是锂离子的传输受到了明显抑制。

发明内容

本发明目的在于提供一种硫单质表面被金属硫化物均匀包覆的锂硫电池正极材料及制备方法。

为实现上述目的，采用具体的技术方案如下：

正极材料由硫单质颗粒和金属硫化物构成，一种或二种以上的金属硫化物包覆于硫单质颗粒表面；

所述金属硫化物的金属为Zn、Fe、Cd、Pb、Cu或Ag中的一种或二种以上。

硫单质质量百分含量为10％-90％。

硫单质颗粒粒径为1nm-200um。

本发明所述的锂硫电池正极材料的制备方法包括如下步骤：

将硫单质、水溶性硫化物和添加剂混合后用水溶解形成溶液或溶胶，超声分散，缓慢加入含Zn、Fe、Cd、Pb、Cu或Ag中的一种或二种以上金属离子的溶液，反应后自然冷却，用有机溶剂和去离子水交替洗涤、过滤，干燥得到金属硫化物包覆的硫正极材料；

所述水溶性金属硫化物包括：硫化钠，硫化钾、硫化铯等；

所述添加剂为N-聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，溴化十六烷基三甲胺(CTAB)、聚乙二醇、Nafion或十二烷基磺酸钠(SDS)；