[发明专利]一种复合正极材料及其制备方法以及全固态锂硫电池

说明书

本发明提供了一种复合正极材料、复合正极材料的制备方法以及全固态锂硫电池，属于全固态锂离子电池技术领域。复合正极材料由以下组分(按重量份计)制备而成，碳硫复合材料10～90份、Li₁₀GeP₂S₁₂电解质10～80份以及导电碳材料1～80份，碳硫复合材料包括碳材料和硫，硫在碳材料表面上。本复合正极材料具有高倍率放电比容量、稳定的循环性能和较高安全性能的优点。

技术领域

本发明涉及全固态锂离子电池技术领域，尤其涉及复合正极材料、复合正极材料的制备方法以及全固态锂硫电池。

背景技术

随着新能源技术的快速发展，锂离子电池已经被广泛的应用于军事国防、电动汽车、便携式数码设备等多个领域，同时对其性能的要求也越来越高，尤其对其安全性能、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1672mAh/g，比能量2567Wh/Kg受到广泛关注。另外单质硫的价格便宜、资源丰富、环境友好等特点使其成为最理想的锂电正极材料。然而研究发现硫作为正极材料存在很多缺陷：硫是电子绝缘体，电导率仅有5×10^-30S/cm；在液态电池中，放电过程中产生的多硫化物会溶解在有机电解液中，从阴极到阳极来回迁移，形成穿梭效应，造成活性物质的损失；另外作为负极的锂金属过于活泼，容易形成锂枝晶刺穿隔膜，引发火灾，导致安全性能差。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。

在现有的文献报道中，制备碳硫复合材料在全固态锂硫电池中取得一定的进展。比如：在介孔炭的孔隙充满硫，加热到硫的熔点。使硫和介孔碳复合电极形式的密切联系，表现出的全固态锂硫电池有一个非常高的可逆容量(Nature materials 2009,8,500)；硫与Li₃PS₄硫化物在四氢呋喃溶液反应，反应增加了硫原子在PS₄^3-端形成S-S键的阴离子。最终的正极材料Li₃PS₄₊₅，具有高的离子电导率和全固态锂电池具有优良的电化学可逆性(Angewandte Chemie 2013,52,7460)。中国专利CN201510060959公开了使用复合正极材料是由导电聚合物单体通过原位聚合生成相应的导电聚合物包裹在单质硫或单质硫/碳材料混合物表面，再通过高温处理得到的导电聚合物/硫复合正极材料或导电聚合物/硫/碳复合正极材料；与有机-无机杂化聚合物固体电解质膜或Li₂S-P₂S₅无机固体电解质及金属锂负极制成全固态锂硫电池。该电池在环境温度80℃，放电倍率1C下，循环200周后容量能够稳定在700mAh/g。概括而言，这些技术在低倍率充放电表现较好的性能，但在较高倍率下充放电时，比容量低、稳定性差的状态未得到明显改善。

发明内容

针对现有技术的锂硫电池存在循环性能差、容量低、安全性能低的问题，目的是在于提供一种碳硫复合材料，使活性物质硫充分反应，提高硫的利用率，得到具有高倍率放电比容量、稳定的循环性能和较高安全性能的全固态锂硫电池的复合正极材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种操作简单、工艺条件温和、制备成本低廉所述全固态锂硫电池复合正极材料的方法。

本发明提供了一种复合正极材料，所述复合正极材料由以下组分(按重量份计)制备而成，碳硫复合材料10～90份、Li₁₀GeP₂S₁₂电解质10～80份以及导电碳材料1～80份，所述碳硫复合材料包括碳材料和硫。

优选的，所述碳材料选自碳纳米管、功能化碳纳米管、还原氧化石墨烯、石墨烯、活性碳和多孔碳一种或多种。

优选的，所述导电碳材料选自石墨化碳纳米管、super-P、活性炭、乙炔黑一种或多种。