[发明专利]一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法和应用，特别涉及一种 单质硫、导电碳材料和含锂过渡金属氧化物三元复合材料，及其在制备高放电比 容量、循环性能稳定锂硫电池正极方面的应用，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

随着新能源行业的快速发展，锂离子电池已经在便携式电器、电动汽车、大 规模储能以及军事电源有了广泛的应用。尤其是最近国家对新能源汽车的大力支 持，进一步推动了锂电行业的快速发展，这也对锂离子电池的能量密度提出了更 高的要求，而传统锂离子电池的正极材料低的比容量成了其最大的限制性因素。 锂硫电池的正极材料单质硫以其高的理论比容量1675mAh/g，比能量2600Wh/g 和价格便宜、资源丰富、环境友好等特点，使其最具希望成为下一代的动力电池。 然而研究发现硫作为正极材料存在很多缺陷：硫及其放电产物硫化锂都是电子绝 缘体，电导率仅有5×10^-30S/cm，造成电池在充放电过程中严重的极化现象；放 电过程中产生的多硫化物会溶解在有机电解液中，发生穿梭效应，造成活性物质 的损失，容量快速衰减；另外在正极中无锂源，硫并非可嵌入锂离子的晶体结构， 不利于锂离子在电极中的扩散，极易产生电极极化。这些缺陷都严重影响到锂硫 电池的循环寿命、容量发挥以及商业化生产。

发明内容

针对现有技术中的锂硫电池存在容量发挥低、循环性能差问题，本发明的第 一个目的是在于提供一种导电性能好，富含锂源，且能将多硫化物稳定束缚在正 极区域，提高活性物质硫利用率的锂硫电池复合正极材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、工艺条件温和、低成本制备 所述锂硫电池复合正极材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种所述复合正极材料的应用，所述的复合 正极材料用于制备锂硫电池正极，可以显著提高锂硫电池的放电比容量，改善电 池的循环性能稳定性。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种锂硫电池复合正极材料，该复合 正极材料由包括单质硫、导电碳材料和含锂过渡金属氧化物在内的原料复合而 成。

优选的方案，锂硫电池复合正极材料由以下质量份原料组分组成：单质硫 50～80份；导电碳材料5～25份；含锂过渡金属氧化物5～25份。

较优选的方案，导电碳材料为科琴炭黑、SuperP、乙炔黑、石墨烯、碳纳 米管、碳纳米纤维中的至少一种。

较优选的方案，含锂过渡型金属氧化物为Li₄Ti₅O₁₂、LiFePO₄、LiCoO₂、 LiNiO₂、LiMnO₂、LiMn₂O₄、LiNi_xCo_yMn_zO₂、nLi₂MO₃(1-n)LiMO₂中的至少一种， 其中M为Ni、Co、Fe或Ni_1/2Mn_1/2。

较优选的方案，单质硫为纳米单质硫。本发明的单质硫为升华硫可以直接购 买，或者为硫代硫酸钠或硫化钠通过液相法原位合成的纳米单质硫。

本发明还提供了一种制备所述的锂硫电池复合正极材料的方法，该方法包括 方案a、方案b或方案c：

方案a：将溶有单质硫的有机溶液与分散有导电碳材料和含锂过渡金属氧化 物的水溶液搅拌混合后，挥发溶剂，所得混合体置于130～200℃温度下热处理， 即得；

方案b：将含硫代硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的溶液与分散有导电碳材料和含 锂过渡金属氧化物的水溶液搅拌混合后，在继续搅拌的条件下，加入盐酸反应， 反应完成后，挥发溶剂，所得混合体置于130～200℃温度下热处理，即得；

方案c：将含硫化钠和亚硫酸钠的溶液与分散有导电碳材料和含锂过渡金属 氧化物的水溶液搅拌混合后，在继续搅拌的条件下，加入硫酸反应，反应完成后， 挥发溶剂，所得混合体置于130～200℃温度下热处理，即得。

优选的方案，方案b中硫代硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为20～100:1。

优选的方案，方案b中硫代硫酸钠和盐酸的摩尔比为1:2～3。