[发明专利]一种锂硫电池用电极及其制备和包含其的锂硫电池结构

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用电极，电极通过化学原位沉积电极基体使其二侧表面均沉积有金属镍层，在电极基体内部沉积有金属镍，电极表面金属镍层厚度0.2μm‑4μm；这种电极应用于锂硫电池中，可明显提高锂硫电池性能和能量密度的作用，化学镀原位沉积技术操作过程简单，实验条件温和，实验成本较低，具有实现未来工业化大规模生产的巨大潜力。

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域，特别涉及锂硫电池柔性电极。

背景技术

近年来，随着全球能源环境危机的日益严重，锂离子电池已成为各类电子产品比如笔记本电脑、电动自行车等电子设备的首选电源。然而随着柔性电子学的发展，人们对柔性，可穿戴媒体设备的需求日益增大，比如OLED柔性智能手机，可植入性设备等等，这些高性能便携式电子设备除了需要具备良好的机械柔韧性外，同样需求具有良好柔韧性的高性能电池作为电源输出。锂离子电池虽然具有工作电压高、循环寿命长等优点，但是能量密度相对较低，机械性能较差一直是制约其在柔性电池领域发展的主要瓶颈。比如对于锂离子二次电池，其放电比能量通常在100-200Wh·kg^-1。当其作为电动汽车电源时，其单次充放电只能满足普通汽车行驶160km，难以满足美国高级电池联合会(USABC)提出的单次充放电里程达到500km的要求。

锂硫电池在众多二次电池体系中脱颖而出，原因不仅在于其正极活性材料硫价格低廉、环境友好且储量丰富，同时其与金属锂电极结合其实际比能量高于500Wh·kg^-1。因此，锂硫电池被认为是可替代锂离子电池的新型二次电池之一，并使柔性锂硫电池具有良好的应用前景。

然而在锂硫柔性电池的研发过程中，有许多问题亟待解决。首先锂硫电池存在的倍率性能差、循环稳定性差、活性物质利用率低等问题严重阻碍其商业化进程。其中放电中间产物多硫化锂的“飞梭效应”是影响锂硫电池性能发挥的主要原因之一。为了解决多硫化物的“飞梭效应”问题，现有的较为常见的解决方法是以分级多孔碳材料作为活性物质硫的载体，不但因为其较大的孔容和高比表面积可以负载高担量的活性物质硫，而且对放电产物多硫化物具有较好的物理吸附作用，从而减缓多硫化物的飞梭效应。这些用作负载硫的碳材料通常包括多孔碳材料、碳纳米管纳米纤维材料、空心碳材料、石墨烯材料以及相互复合的碳材料等，但其因碳材料本身的非极性特性，对多硫化物的吸附力较弱，因而对于减缓多硫化物的“飞梭效应”的效果并不十分明显。

其次在锂硫电池柔性电极制备方面，通常电极浆料包括活性物质、粘结剂、和导电剂，而为了提高电池的柔韧性能和机械性能，其中粘结剂的比例会大幅提高，从而使电极的电导率下降。这使原本锂硫电池就存在的因活性物质和放电产物不导电而导致的电极内部电子传输网络不连续、活性物质利用率低的问题变得更加尖锐。同时在制备电极材料的过程中，通常将配制好的电极浆料涂在金属薄膜上，其厚度通常为25μm左右，这层金属薄膜作为一种集流体不但占据了一定的电极重量而且在电极材料中只能作为一种非活性物质从而降低了体积和质量能量密度，且在柔性设备中电极材料面临着在电池弯曲过程中活性物质从这层薄膜上剥落的问题从而影响电池性能。现有的制备柔性电极的方法主要包括使用质量较轻、机械性能良好、导电性能优异的材料比如石墨烯涂层来取代金属薄膜作为集流体，或者通过在电极浆料中中加入石墨烯和碳纳米管等导电剂来提高电极内部的导电性，而这些方法存在的问题首先是造价成本高，工艺较为复杂，其次在电极浆料中加入导电剂石墨烯或碳纳米管依然无法解决因粘结剂加入比例过高而导致的电极内部导电网络的不连续的问题。

“化学镀”作为一种自催化反应，该方法沉积的涂层具有厚度均匀、沉积速度快等特点。化学镀技术兴起于二战时期，曾用于为管道内壁做涂层修饰，此后，一系列化学镀涂层比如Ni-W、Ni-P、Ni-B等开始快速的发展和应用。最近几十年，化学镀涂层通常以合金涂层、复合涂层和金属涂层等形式应用在航空、石油化工、医疗器械等领域，其中95％的工业化学镀涂层使用的是以Ni-P、Ni-B为基础的合金涂层，尤其近10年来，Ni-P为基础的合金涂层和复合涂层更是得到了广泛的应用。

发明内容：