[发明专利]一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：1)硫单质溶液的制备，将硫化钠、硫粉溶于蒸馏水中磁力搅拌均匀，过滤后取滤液，再向滤液中加入氯化钠，搅拌均匀，得到A溶液备用；2)吡咯前聚体的制备，将吡咯溶于无水乙醇中，搅拌均匀，得到B溶液备用；3)电聚合反应，将A溶液与B溶液按体积比为0.25～16:1混合搅拌均匀，再滴加盐酸溶液，然后在通电条件下进行聚合反应得到产物，最后将产物依次进行离心洗涤、冷冻干燥，即得到用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料。本发明通过导电材料聚吡咯包覆硫微纳米颗粒，从而来改善硫基正极材料的导电性以及其活性物质的利用率、倍率性能及循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂硫电池的技术领域，具体地指一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池作为“新宠”在电池材料中有其独一无二的特性，它的优越性集中体现在以下几个方面：环境友好，硫单质没有毒性，在用其制备电池材料的反应过程没有有害气体的产生，也无需使用重金属等有毒元素；地球上硫资源十分丰富，丰度居第17位，全球总储量为220亿吨，我国硫储量高达3.46亿吨，因此硫的价格低廉；单质硫的理论比容量高至1675mAh/g，理论能量密度更是高达2600Wh/Kg，理论能量密度和比容量惊人。

虽然锂硫电池具有众多非常诱人的的优点，但仍存在以下几个缺点：(1)硫单质的离子导电性和电子导电性都很差，且硫单质在电池中最终的生成物都是不能导电的，这对于制造电池材料而言是必须克服的；(2)在锂硫电池的充放电过程中会形成S₈的结构，该结构为闭合的八元环，电池充放电的过程中八元环中的S-S键会发生断裂，并生成长链多硫离子，而长链多硫离子趋向于溶于有机电解液，这样就急剧削弱了电池材料的电导率，最为糟糕的是这些断键生成的多硫离子能随意透过电池的隔膜，在负极上与金属锂发生反应，生成依附在锂金属表面的二硫化锂或多硫化锂类似的不溶固体，附着在表面的固体会阻止锂金属与电解液的接触，严重影响电池的性能，而短链多硫离子会在正极发生氧化还原反应，失去电子后被氧化成长链多硫离子，这些过程的循环往复，不仅会使电池材料的可利用活性物质造成无法修复的损失，而且会大量消耗电能；(3)在锂硫电池充放电过程中，硫电极会不可避免地发生收缩和膨胀，体积急剧的变化会破坏电池正极内部的物理构造，从而对电池的综合性能造成不良影响。

目前，锂硫电池的循环性能以及它的倍率性能相对于人们生活水平的要求还是远远不够的，其实际比容量还远低于理论值，含硫正极材料已经成为制约锂硫电池快速发展以及大规模商业化生产的直接障碍。因此，研发和合成性能优良的硫正极材料成为锂硫电池领域的研究重点。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料及其制备方法，该方法通过电化学聚合的方式在硫颗粒的表面包覆聚吡咯，实现了对硫基正极材料的导电性及其活性物质的利用率、倍率性能、以及循环寿命的改善。

为实现上述目的，本发明所提供的一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料，该硫正极材料为具有内核和壳层的包覆型核壳结构，所述内核为硫颗粒，所述壳层为在硫颗粒表面电聚合的聚吡咯层。

进一步地，所述硫颗粒的平均粒径为1～10μm，所述聚吡咯层的平均厚度为10～250μm。

本发明提供的一种用于锂硫电池的核壳结构硫正极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)硫单质溶液的制备

将硫化钠、硫粉溶于蒸馏水中磁力搅拌均匀，过滤后取滤液，再向滤液中加入氯化钠，搅拌均匀，得到A溶液备用；

2)吡咯前聚体的制备

将吡咯溶于无水乙醇中，搅拌均匀，得到B溶液备用；

3)电聚合反应