[发明专利]一种高性能锂硫电池

说明书

技术领域：

本发明涉及一种高性能锂硫电池，尤其是具有高比容量和长循环寿命的锂硫电池。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，电子设备被广泛地应用于科研、生活、娱乐和交通等各个领域，先进的电子设备对能源需求提出了更高的要求。目前商业化的锂离子电池正极材料有磷酸亚铁锂(160-170mAh/g)、钴酸锂(140-160mAh/g)、钴镍锰酸锂(150-220mAh/g)和锰酸锂(110-120mAh/g)，这将无法满足未来能量市场的需求。为此，人们将新一代的锂硫电池作为一种最有发展潜力的高性能二次电池，其具有很多优点：(1)高理论能量密度2600Wh/kg；(2)元素硫在地壳中的自然丰度大，价格低廉；(3)低毒性，无污染。

尽管如此，锂硫电池的实用化面临着诸多的挑战：(1)单质硫是高度绝缘物质，在25℃下，电导率约为5×10^-30S/cm，这导致硫难以直接作为正极材料，须在正极中加入导电物质；(2)在充放电过程中，硫会反应生成易溶于电解液的长链多硫化锂(Li₂S_x,4<x≦8)，穿梭至负极，在锂负极表面发生歧化反应生成短链多硫化锂，短链多硫化锂又穿梭回正极，即“穿梭效应”，导致活性物质损失，循环性能下降，难以达到商业化的标准。

为解决上述挑战，研究人员做了许多探索，主要是针对于正极碳材料、粘合剂、隔膜和电解液的设计和制备。

在正极改性方面，Yi Cui将PVP载入中空碳纳米线中得到PVP-C复合材料，并与单质硫制备成锂硫电池正极材料，得到高性能电池，放电倍率为0.5C下，100次循环后，放电比容量约为810mAh/g(Zheng G,Zhang Q,Cha J J,et al.Amphiphilic surface modification of hollow carbon nanofibers for improved cycle life of lithium-sulfur batteries[J].Nano letters,2013,13(3):1265-1270)；在隔膜改性方面，Arumugan Manthirn在普通PP隔膜一侧涂覆MPC-PEG(微孔碳-聚乙二醇)制备成改性隔膜，使用这种改性隔膜的锂硫电池在放电倍率为0.5C时，200个循环之后，放电比容量为795mAh/g(Chung S H,Manthiram A.A Polyethylene Glycol‐Supported Microporous Carbon Coating as a Polysulfide Trap for Utilizing Pure Sulfur Cathodes in Lithium–Sulfur Batteries[J].Advanced Materials,2014,26(43):7352-7357)，有效提高了电化学性能。但以上两种制备方法复杂，材料昂贵，并且在充放电过程中仍有较多活性物质损失，无法满足锂硫电池商业化要求。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有锂硫电池中正极材料、隔膜材料制备工艺复杂，价格昂贵的缺陷，提供一种具有高比容量和循环性能好的锂硫电池，且制备工艺成熟、安全无毒、价格低廉。

本发明提供的一种高性能锂硫电池，由正极、负极、隔膜和电解液构成，负极为金属锂片，其特征是：正极为添加有壳聚糖的硫正极，其组成和质量比为单质硫:导电碳:壳聚糖:粘合剂为40-70:40-24:10-3:10-3。

所述单质硫的粒径大小为纳米级或微米级。

所述壳聚糖为酸溶性壳聚糖或水溶性壳聚糖。

所述粘合剂选自明胶、聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚偏氟乙烯(PVDF)等常用的粘合剂。

所述导电碳选自乙炔黑或超导电炭黑等常用的导电碳材料。

硫正极的制备方法为：将壳聚糖溶于0.5-2wt％的醋酸溶液或者去离子水中，形成浓度为1-2wt％的壳聚糖溶液；均匀混合单质硫、导电碳、壳聚糖溶液和粘合剂，使单质硫:导电碳:壳聚糖:粘合剂质量比为40-70:40-24:10-3:10-3，形成的浆料均匀涂覆至铝箔上，干燥后作为锂硫电池正极材料。

本发明高性能锂硫电池还可采用壳聚糖改性隔膜，其组成为隔膜、导电碳、壳聚糖和粘合剂。其中导电碳、壳聚糖和粘合剂的质量比为60-90:20-5:20-5。

所述隔膜为本领域内所公知的各类商业化隔膜，如PP隔膜等。

所述壳聚糖为酸溶性壳聚糖或水溶性壳聚糖。