[发明专利]一种采用预锂化的碳族材料做负极的锂硫电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种使用预锂化的碳族材料作为负极的锂硫电池。针对锂硫电池中金属锂负极存在的锂枝晶生长问题、高活性问题，现设计合理的负极结构，并通过短路预锂的方法将碳族材料预锂化后作为锂硫电池的负极，此外配合电解液中的添加剂，在负极材料表面形成稳定的固态电解质薄膜。该负极结构及预锂化方法具有工艺简单，可操作性强的优点。使用该结构进行预锂的碳族材料作为锂硫电池负极时，电池的循环稳定性和安全性能大大提高，并避免了锂枝晶生长的问题。

技术领域

本发明属于锂硫电池领域，具体是涉及一种使用预锂化的碳族材料作为负极的锂硫电池。

背景技术

在当今能源危机日益严重的大背景下，发展绿色能源技术及器件显得尤为重要。目前，锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备、混合动力车等领域，但是锂离子电池较低的能量密度制约了先进便携式电子设备和电动车技术的发展。在所有由固态元素组成的二次电池中，锂硫电池具有最高的能量密度，理论值约2600Wh/kg，实际值可达600Wh/Kg以上；并且，单质硫来源丰富，价格低廉。但是锂硫电池也面临很多需要解决的技术难题，其中金属锂负极的循环稳定性较差仍是目前尚未解决的一个技术难点。首先，金属锂在电池充放电时，尤其是大倍率充放电时，由于电流密度不均匀易造成金属锂沉积不均匀而生成锂枝晶，锂枝晶会刺穿隔膜造成电池内部短路而引发安全问题；或者生成的锂枝晶脱离金属锂负极主体，形成“死锂”，造成电池循环性能严重下降。其次是金属锂化学性质活泼，易与聚硫阴离子发生副反应而生成硫化锂，消耗金属锂，造成电池循环稳定性下降。再者，金属锂的熔点较低，当电池出现热失控时，易引发电池燃烧。因而，对金属锂负极进行保护或者使用预锂化的活性储锂物质作为负极材料，是解决锂硫电池循环性能和安全性能问题的重要手段。

碳族元素及由碳族元素组成的复合物具有优良的储锂性能，且嵌锂电势较低，是电池负极的理想材料。石墨类碳负极材料的理论比容量为372mAh/g，这一类材料的嵌锂方式为层间嵌锂，结构较为稳定，安全性能高，是目前绝大多数商品锂离子电池的负极材料。硅与金属锂可生成合金Li₂₂Si₅，硅的理论储锂容量为4200mAh/g，远远高于其它的负极材料。但是硅负极材料在电化学嵌锂或脱锂过程中，体积会发生300％的变化，引起硅负极材料的结构坍塌而失效。金属锗的理论容量为1600mAh/g，且具有较高的电导率和锂离子迁移率，锗虽然有更高的机械强度和晶胞体积，但是锗与硅一样，嵌锂后的体积变化仍达到300％。锡可以与金属锂发生合金化反应，理论比容量为990mAh/g。当二者合金化过程中，也伴随着巨大的体积变化，造成材料结构的破坏。虽然碳族单质元素作为储锂材料有着自身的局限性，但是开发纳米尺寸的活性颗粒，或制备活性物质之间，活性物质与非活性物质之间的复合物是改进材料性能的重要手段。