[发明专利]一种锂硫电池复合正极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂硫电池复合正极及其制备方法。该锂硫电池复合正极主要由铁电材料和石墨烯的混合喷涂层、碳/硫浆料刮涂层、铁电材料喷涂层构成。本发明的两层喷涂层能缓解正极材料充放电过程中的体积膨胀，维持结构稳定；双层喷涂层双重吸附长链多硫化物，限制多硫化物的溶解，有效解决“飞梭效应”，提高了锂硫电池比容量和循环寿命；本发明中用简单的喷涂工艺，喷涂出厚度可控的薄膜层，适于广泛生产。

技术领域

本发明属于电化学电池领域，特别涉及一种锂硫电池复合正极及其制备方法。

背景技术

随着社会的进步与发展，电池储能系统发挥着越来越重要的作用。一方面，人们生活水平的提高使手机、笔记本等电子产品成为了大部分人的必需品，这些电子产品的快速发展，对电池的要求也越来越高。另一方面，能源危机和环境污染问题越来越突出，发展可再生能源和电动汽车成为不可遏制的趋势。在风能，太阳能，潮汐能等可再生能源的有效利用过程中，亟需解决能源的存储和传输问题，电动汽车的发展也亟需解决能源存储和转换问题，因此，储能系统的研究迫在眉睫。

作为目前最成功的储能装置之一，锂离子电池具有能量密高、自放电率低、循环寿命长、物记忆效应等优点，在各类便携式电子器件上广泛应用，且随着电池继续的革新，锂离子电池正在向着电动汽车领域迈进。然而，收到正极材自身储锂容量的限制，锂离子电池的比容量和能量密度难以满足未来移动电子设备的要求。因此，人们把目光放在了理论比容量高达1650mAh/g的锂硫电池，锂硫电池中硫在自然界的储量丰富，开采容易，价格低廉且环境友好，是很有前途的新一代电池体系，但锂硫电池也存在限制因素，使其不能广泛应用于市场，其中最主要的是放电产物长链硫化物Li₂S_x(4≤x≤8)易溶于有机电解液中，在锂硫电池的正负极之间来回扩散，形成“飞梭效应”。飞梭效应不仅造成活性物质硫的不可逆损失，增加电解液粘度，降低电池的比容量、库伦效率和循环寿命；充放电过程中，参加飞梭效应的长链多硫化物会反应生成不导电的短链多硫化物Li₂S、Li₂S₂，沉积在锂金属表面和硫正极表面，阻碍了放电反应。

为解决上述“飞梭效应”问题，科研人员进行了大量研究。Keyu Xie等人[AdvancedMaterials,2016,6,29-34]通过在正极材料中添加钛酸钡颗粒限制多硫化物的溶解，该方案虽然简单易行，但是钛酸钡添加于正极材料中所需的粘结剂和导电剂增多，减少了活性物质硫的相对含量，使电池的质量比容量降低，并且电池的容量保持率不高。

发明内容

本发明目的是提供一种新的锂硫电池复合正极及其制备方法，有效解决“飞梭效应”，并提高锂硫电池的比容量、库伦效率等性能。

本发明的解决方案如下：

该锂硫电池复合正极主要由三层构成：第一层为铁电材料和石墨烯的混合喷涂层，厚度为0.2μm-5μm；第二层为碳/硫浆料刮涂层，厚度为150μm-250μm，其中纳米硫与导电炭黑的质量比为7:2；第三层为铁电材料喷涂层，厚度为0.4μm-10μm。

其中，第一层的铁电材料和第三层的铁电材料优选自PbTiO₃、BaTiO₃、SrTiO₃、LiNbO₃、KNbO₃、Cd₂Nd₂O₇和PZT。这两层可以采用相同的铁电材料，也可以采用不同的铁电材料。

上述锂硫电池复合正极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)铁电材料和石墨烯混合喷涂层的制备