[发明专利]锂硫电池正极用复合材料、制备方法及由其制成的正极、电池

说明书

技术领域

本发明涉及硫锂电池技术领域，具体而言，涉及锂硫电池正极用复合材料、制备方法 及由其制成的正极、电池。

背景技术

“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912 年锂金属电池最早由GilbertN.Lewis提出并研究。20世纪70年代时，M.S.Whittingham提 出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、 使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在 锂电池已经成为了主流。

与传统的锂离子电池不同的是，锂硫电池是以硫为正极，锂为负极，且所制得的锂硫 电池放电比容量高达1675mAh·g^-1，另外自然界硫资源非常丰富，环境友好。因此，锂硫 电池被认为是继锂离子电池后最有潜力的新型二次电池。经过对锂硫电池几十年的研究， 研究人员发现锂硫电池存在以下几个主要问题：(1)硫为电子和离子的绝缘体；(2)硫 电极在充放电过程中会产生多硫化锂，多硫化锂溶于电解液后，会迁移到锂负极上，从而 产生“穿梭效应”；(3)硫电极在充放电过程中，电极的体积会发生较大变化，致使硫 电极结构不稳定；(4)在电极反应过程中，生成的的LiS₂也是绝缘的，生成的LiS₂会覆 在硫电极和锂负极表面，从而影响电子和离子的传递速度。为了在一定程度上缓解上述问 题，研究人员采用碳纳米管、石墨烯以及碳纳米纤维改善硫电极，并取得了一些成效。

然而上述材料中的大部分的载硫量都在70％以下，未能达到电极材料实际应用的需求， 一般认为复合材料载硫量超过80％时，才能达到电极材料实际应用的需求。如中国专利申 请号为201210088258.2，发明名称“一种锂硫电池正极用复合材料以及由其制成的正极和 电池”公开了一种复合材料，该复合材料是由聚萘(PPN)或其衍生物与硫组成的，其中， 聚萘或其衍生物的质量百分比为20-34％，载硫量为75％；再如中国申请号为 201510292305.9，发明名称“锂硫电池正极用复合材料、制备方法及由其制成的正极、电 池”，提供了一种锂硫电池正极用复合材料，包括聚萘/硫复合材料和多孔二氧化钛；所述 多孔二氧化钛包覆在所述聚萘/硫复合材料表面，使得聚萘/硫复合材料中硫的含量高达 65％～80％。上述发明专利均是针对上述主要问题而提出新的技术方案并取得一定的成 效，虽然新技术方案存在明显的优势，但是还有一些亟需改善之处，诸如：硫的总含量不 高，硫的利用率不高，循环稳定性差、电池寿命短等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种锂硫电池正极用复合材料，该 复合材料通过将聚乙二醇接技到聚萘表面，有效阻止多硫化锂向负极迁移，加速锂离子的 迁移，减缓多硫化锂溶解于电解液中造成的“飞梭效应”，解决硫电极体积变化造成的问 题。

本发明的第二目的在于提供一种所述的锂硫电池正极用复合材料的制备方法，该方法 先将聚乙二醇接技到聚萘表面，制备聚萘表面接枝聚乙二醇复合材料，然后再制备电池正 极用聚萘(PPN)-聚乙二醇(PEG)/硫(S)复合材料，PPN-PEG/S复合材料的独特结构 使得其载硫量高达85％，从而成功获得大比容量、长循环稳定性和高倍率性能的电极。

本发明的第三目的在于提供由本发明所提供的锂硫电池正极用复合材料制成的正极。

本发明还提供了一种锂硫电池，包含由本发明所提供的锂硫电池正极用复合材料制成 的正极。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种锂硫电池正极用复合材料，包括聚萘-聚乙二醇复合材料负载活性物质硫，聚萘表 面接枝聚乙二醇，载硫量为60-85％。

所述锂硫电池正极用复合材料的制备方法，主要包括如下方法步骤：

(1)羧基化聚萘的制备：在装有聚萘的烧瓶中滴加H₂SO₄与HNO₃的混酸，维持体 系温度1-6h，自然冷却后，经过滤、洗涤，干燥后得到羧基化聚萘；