[发明专利]一种锂硫电池正极材料、正极及其制备和应用

说明书

本发明属于锂硫电池材料领域，具体公开了一种锂硫电池正极材料，包括正极活性材料、导电剂和粘结剂，所述的正极活性材料具有结构式其中，R₁、R₂独立选自烷基、烯烃基、炔烃基、环烷基、芳香基、杂环烷基、杂环芳基、醚基或叔氨基；x的值为1～20的整数。本发明创新性采用所述结构的化合物作为锂硫电池的正极活性材料，在充放电过程中基于碳硫双键储锂机制提供一个2.55～2.65V的放电平台，远高于传统锂硫电池的两个放电平台电压(2.2～2.3V、1.9～2.1V)，从而大大提升了电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及一种含硫有机物正极材料及其所组装的锂硫电池，属于锂二次电池领域。

背景技术

随着社会的发展，一方面，大众对于便携式电子产品的性能要求不断提高；另一方面，人们逐渐增强的环保意识及对不可再生资源的认识使得各种规模的储能电站、电动汽车、智能电网开始迅猛发展。这两方面原因使得人们对锂离子电池能量密度和功率密度的要求越来越高，但是，受电池体系和电极材料理论储锂容量的限制，当前综合性能最好的锂离子电池体系已经很难满足未来社会对于高比能量的要求。

锂硫电池因其理论能量密度(2500Wh/kg)远高于现有锂离子的能量密度(200Wh/kg)而成为锂离子电池最具前景的替代者。但是不可否认，Li-S电池要真正实现产业化，目前仍存在很多问题待解决，其一，单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10^-30S·cm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；其二，锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性，多硫离子能在正负极之间迁移，产生“穿梭效应”导致活性物质损失和电能的浪费。其三，锂硫电池使用金属锂作为负极，除了金属锂自身的高活性，金属锂负极在充放电过程会发生体积变化，并容易形成枝晶。基于上述多方面的原因，硫的实际稳定克容量(600～900mAh/g)远低于理论克容量(1675mAh/g)。因此目前成功研制的锂硫二次电池实际能量密度远低于其理论能量密度(约300～500Wh/kg)，且循环寿命短，远远达不到实际使用要求。为了提高硫的实际克容量从而提高实际比能量，研究者们想出了很多策略。例如采用具有高比表面积的纳米结构碳材料，将硫吸附于碳材料孔洞中，通过物理吸附及限制作用阻止多硫化物穿梭，从而减少活性硫的损失，如专利CN201410256653公开了一种氮掺杂石墨烯包覆纳米硫正极复合材料，纳米硫颗粒被氮掺杂石墨烯片层均匀包裹，这有效地抑制锂硫电池中多硫化物的溶解和穿梭效应，提高电池的放电比容量。CN201611218937则通过将超轻碳化细菌纤维素夹层与多孔碳的复合制备具有强吸附能力的电池夹层，借助离子选择性阻挡层Nafion与细菌纤维素气凝胶的结合制备电池隔膜材料，通过功能夹层引入、Nafion/BC隔膜的联合使用，多层面控制多硫化物向锂负极扩散，实现针对多硫化物扩散的多级抑制，提高了电池的比容量。上述方法都在一定程度上提高了正极活性物质的克容量，但是基于锂硫电池本身溶解-沉积的充放电机制，电解液中不可避免的需要溶解损失一部分正极活性物质形成多硫化物传导锂离子，因此硫的克容量本身存在一个低于理论值的极限。

发明内容

针对现有锂硫电池实际比能量低的技术问题，本发明旨在提供一种具有高电压放电平台的锂硫电池正极材料。

本发明第二目的在于，提供一种包含本发明所述正极材料的锂硫电池正极。

本发明第三目的在于，提供一种装载有所述正极的锂硫电池。

一种锂硫电池正极材料，包括正极活性材料、导电剂和粘结剂；

所述的正极活性材料具有式1结构式：

R₁、R₂独立选自烷基、烯烃基、炔烃基、环烷基、芳香基、杂环烷基、杂环芳基、醚基或叔氨基；