[发明专利]一种锂硫电池用柔性海绵状多孔电极及其应用

说明书

本发明公开一种锂硫电池用柔性海绵状多孔电极，将有机高分子树脂与碳/硫复合物混合，通过蒸汽相转化法制备而成柔性海绵状多孔电极。在制备柔性海绵状多孔电极过程中，靠近集流体侧的高分子树脂彼此交联固化，使电极从集流体脱落形成柔性电极，在穿戴式和便携式电池方面有广泛的应用前景。与应用于锂硫电池的常规电极相比，柔性海绵状多孔电极有较为规整的孔结构，孔径分布集中；将碳/硫复合物紧紧包覆在其中，提高了粘结剂的粘结性能，可用于制备高担量电极，更利于发展高能量密度电池。综上所述，柔性海绵状多孔电极作为锂硫电池正极，在电极制备工艺、提高电极活性物质担量和电池性能等各方面都表现出巨大的优势，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池用柔性海绵状多孔电极。

背景技术

在商业化的二次电池中，锂硫电池作为一种新的电化学储能二次电池，其高放电比容量(1675mAh g^-1)，高理论比能量(2600Wh kg^-1)，及活性物质硫具有自然丰度大，成本低，低毒，环境友好等优点，具有良好的应用前景。

目前，Li-S电池主要集中于电极材料的研究，而忽略了电极结构设计及电极制备工艺设计的优化。在传统的Li-S电池正极制备的烘干过程中，首先电极未定型，无法进行堆叠烘干，占地面积较大，且易磕碰，造成电极材料的损失；其次，传统烘干的方法，粘结剂晶化程度高，对高比表面，高孔体积的电极材料粘结性差，制备的电极龟裂严重，且随着活性物质硫担量的提高，电极材料逐渐从集流体上脱落；最后电极烘干过程中，溶剂挥发，干燥后的电极呈紧密堆积结构，电极内部的离子传输受阻；以上种种问题都将严重阻碍Li-S电池的进一步发展。另外，面对庞大的柔性和可佩戴的电子设备的内置柔性电源的庞大市场，发展柔性锂硫电极至关重要。目前较为常见的柔性电极大多是使用柔性的一维和二维材料，如碳纳米管、碳纤维或石墨烯，可相互缠绕或堆叠制备而成。如何使用更具成本效益的0D或3D活性材料和导电剂，避免活性材料在弯曲或高负荷下脱落成为新的研究热点。

而柔性海绵状多孔电极的制备不受材料维度的限制，且具有一定柔性，在穿戴式和便携式电池方面有广泛的应用前景。柔性海绵状多孔电极有较为规整的孔结构，孔径大小和孔隙率均可调，孔径分布集中；有较高的吸液率和孔隙率，有利于吸附更多的电解液，从而将溶解于电解液的多硫化物固定在正极一侧，减少多硫化物的飞梭，与电极表面形成的皮层的协同作用，提高电池的循环性能，同时有利于锂离子的传输，提高电池的倍率性能；并且在蒸汽相转化的过程中粘结剂彼此交联，将碳/硫复合物紧紧包覆在其中，提高了粘结剂的粘结性能，可用于制备高担量电极，更利于发展高能量密度的电池。柔性海绵状多孔电极作为锂硫电池正极材料，具有粘结性好、材料选用范围宽、工艺简单、生产成本低、有环境等优点。通过对柔性海绵状多孔电极工艺参数的调节，进一步提高锂硫电池性能，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂硫电池用柔性海绵状多孔电极。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用正极，将有机高分子树脂与碳/硫复合物混合与碳/硫复合物混合，通过蒸汽相转化法制备而成柔性海绵状多孔电极。

所述有机高分子树脂为PBI和PVDF混合物，高分子树脂的质量占电极总质量的20wt％～80wt％，混合比例为m(PBI)：m(PVDF)＝0.2～1，优选为15％PBI和15％PVDF混合物；

所述碳/硫复合物为碳材料与硫的复合物中的一种或二种以上，碳/硫复合物中硫的质量占总质量的20wt％～90wt％；碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维、BP2000、KB600、KB300、XC-72、Super P、乙炔黑、活性炭中的一种或二种以上。

所述的柔性海绵状多孔电极，其特征在于：所述多孔电极类似于海绵，孔隙率较高，为60％-85％，优选75-85％。

所述柔性海绵状多孔电极厚度为40-2500μm，孔径尺寸为0.5～5000nm。