[发明专利]一种锂硫电池的复合正极及其制备方法

说明书

本发明公开一种锂硫电池的复合正极及其制备方法，其包括铝箔，所述铝箔表面设有垂直于其表面的氧化铝纳米管，所述氧化铝纳米管内壁附着有硫层，位于氧化铝纳米管的外端部涂覆有碳层。通过其表面的导电碳层和氧化铝纳米管的吸附作用，可以有效的将聚硫锂限制在氧化铝纳米管的管径中，进而抑制长链聚硫离子穿梭效应的发生，从而提高了活性物质的利用率；另外，复合正极中不需要添加导电剂和粘结剂，提高了硫含量和活性物质利用率，进而提高了锂硫电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种锂硫电池的复合正极及其制备方法。

背景技术

随着科技的不断进步以及电子产品的快速发展，人们迫切需要高能量密度、环境友好的电池体系，因而锂硫电池逐渐走进研究者的视野。

与传统锂离子电池正极材料LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiPFeO₄等相比，锂硫电池正极材料硫正极拥有更高的理论比容量(1675mAh/g)和更高的能量密度(2600Wh/kg)，是目前已知的除锂空气电池外能量密度最高的二次电池体系。此外正极原材料硫资源丰富，价格低廉，电池成本较低，而且在充电过程中几乎不会产生污染，对环境友好，因而得到广泛的关注和研究。

然而，与传统锂离子电池正极材料相比，锂硫电池放电电压平台较低，其拥有两个放电平台，第一个放电平台在2.2～2.3V之间，主要是环状结构的S₈分子转化为长链的S_n^2-(3≤n≤8)与锂离子结合形成长链的聚硫锂；第二个放电平台主要在2.1V～2.2V之间，主要是长链的S_n^2-(3≤n≤8)转化为短链的S_n^2-(1≤n≤2)，该平台是主放电平台。由于在充放电过程中产生的长链聚硫锂会溶解在电解液中，造成活性物质的损失，并多次迁移到锂负极与之发生反应，引起“穿梭效应”，从而使容量降低，导致锂硫电池容量快速衰减，从而循环寿命较短。此外，室温下单质硫的电导率仅为5×10^-30S/cm，其电化学活性较差，因而需要添加大量的多孔导电材料与之复合(如石墨烯、碳纳米管等)，从而使电池的能量密度降低。还有，放电终产物Li₂S、Li₂S₂不溶，其几乎不导电，而沉积在金属锂的表面，会使电池的内阻增加，也会降低锂硫电池的放电比容量和循环寿命。在充放电过程中部分锂会失去活性，成为不可逆的“死锂”。并且由于电极表面的不均匀性，可能会形成锂枝晶，刺破隔膜，造成短路，从而引发安全性问题。

目前国内外对锂硫电池的研究主要是将硫通过热熔的方法注入到多孔碳材料的孔结构中(如多孔碳、石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维、中空碳微球，导电炭黑等)，制备出硫/碳复合材料。Ma等(MA X Z,JIN B,XIN P M,et al.Multi-walled carbon nanotubes-sulfur composites with enhanced electrochemical performance for lithium-sulfur batteries[J].Applied Surface Science,2014,307(346-530).)采用KOH活化碳纳米管，并用液相浸渍-高温热处理法附硫，制备了碳纳米管/硫复合材料；Zhang等(ZHANGK,ZHAO Q,TAO Z,et al.Composite of sulfur impregnated in porous hollow carbonspheres as the cathode of Li-S batteries with high performance[J].NanoResearch,2013,6(1):38-46)利用模板法合成了多孔中空碳微球，并用热处理法附硫，制备了多孔中空碳微球/硫复合材料。本发明通过阳极氧化法在铝箔的表面刻蚀出氧化铝纳米管，并电化学沉积硫，最后再其表面磁控溅射一层碳层，改善了锂硫电池的循环性能。

发明内容