[发明专利]一种具有壳-蛋黄结构的聚合物-纳米硫复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有壳‑蛋黄结构的聚合物‑硫复合材料及其制备方法。该复合材料具有壳‑蛋黄双层结构，中心核为硫颗粒，外壳为聚合物，两者之间留有一定空隙，形成如同蛋壳与蛋黄的双层结构，利用单质硫在不同温度下晶型的改变以及密度的变化，在温度迅速发生变化的过程中，单质硫收缩，并利用溶剂使单质硫部分溶解析出，从而形成壳‑蛋黄结构的复合材料。该结构的复合材料适用于锂硫电池正极，有利于缓解单质硫放电过程中体积膨胀而导致的结构坍塌，抑制放电产物的溶解流失，提高材料的导电性及循环性。

技术领域

本发明属于电化学领域，尤其涉及一种具有壳-蛋黄结构的聚合物-纳米硫复合材料及制备方法。

背景技术

锂二次电池在电动汽车、电动工具、智能电网、分布式能源系统、国防等重要战略领域中具有至关重要的作用。提高电池的能量密度一直是锂二次电池研发的主题之一。然而，经过二十多年的发展，锂离子电池已基本达到了它的理论能量密度极限，其发展空间已十分有限。同时，为解决能源与污染问题，全球性的电动汽车产业热潮再度兴起，电动汽车已成为我国政府积极推动的新兴绿色产业。但是，目前的锂离子电池很难为纯电动汽车提供满意的续驶里程。因此，构建新的锂二次电池体系以获得更高的能量密度已成为二次电池产业发展的必然方向。

锂硫二次电池具有高达2600Wh/kg的理论容量，远大于现阶段所使用的商业化二次电池，且由于单质硫储量丰富、价格低廉、环境友好，因此受到了研发领域和产业界越来越多的认可和关注。

然而，锂硫电池还存在一系列的问题，阻碍了其商业化的应用。首先，单质硫和硫化物本身是电子的不良导体。硫单质室温下的电子电导率为5*10^-30S/cm，实际应用中需加入较多的导电剂，从而降低了其电池整体的比能量。其次，单质硫作为电极活性材料，其放电的中间产物多硫化锂，容易在有机电解液中溶解扩散，导致部分活性物质的流失，电解质的粘度增大，离子电导率降低，以及在正负极间来回穿梭，导致库伦效率低下，部分多硫化锂与锂负极直接反应，导致电池自放电。这些由多硫化锂引起的问题都导致电池的循环性能差，活性物质利用率低。此外，单质硫及其放电产物在充放电循环中，其体积也跟随膨胀收缩(～75％)，一定循环次数后，导致电极结构坍塌，电极失效。(Ji,X.；Lee,K.T.；Nazar,L.F.Nat.Mater.2009,8,500-506.)。因此，改善硫电极的导电性能，阻止充放电过程中中间产物的溶解扩散，防止电极结构的坍塌失效，提高循环性能是锂硫电池的研究重点。

为提高锂硫电池循环性能，常见的解决思路是添加导电剂和具有吸附能力的材料与硫复合以解决其电导率问题以及多硫化物溶解问题。如各种碳材料(石墨烯、多孔碳、碳纳米管)、聚合物、金属及其氧化物等。