[发明专利]一种锂硫电池用聚合物正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用聚合物正极材料的制备方法，属于锂硫电池技术领域。本发明通过使用多硫化钠和含氯有机单体作为聚合反应单体，通过相转移催化剂完成聚合反应，制备具有稳定的电化学活性的锂硫电池用聚合物正极材料，并将其用作锂硫电池的正极材料。本发明制备的锂硫电池用聚合物正极材料，用于锂硫电池正极中具有电化学动力学较快，电导率高，循环性能稳定的特点。本发明制备工艺流程简单，制备所需条件温和，具有很好的应用前景。

技术领域:

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池用聚合物正极材料的制备方法。

背景技术:

锂硫电池具有高能量密度(2500Wh kg^-1)的特点，可满足未来储能器件的能量密度需求。同时，硫作为石油工业的副产物，来源广，价格低，是适合大规模生产的正极材料。但是，硫作为锂硫电池正极材料还存在诸多问题。硫是绝缘材料，电子电导和离子电导较差，从而导致电极中硫的利用率较低。同时，硫在充放电过程中，会产生中间产物多硫化锂(Li₂Sx，3≤X≤8)。这些多硫化锂可溶于有机电解液，会在电场力和浓度梯度的作用下，从正极扩散到负极，并与负极发生反应，导致活性物质损失、电池容量衰减、库伦效率降低和负极恶化等。针对硫正极存在的问题，广泛使用的方法是使用导电材料与硫复合来增加硫正极的电导率，并对导电材料进行修饰，以抑制多硫化锂产生的穿梭效应。但是，这种方法有两个无法克服的缺点。第一，导电剂之外的导电材料会降低了整个正极的能量密度，特别是体积能量密度。第二，被修饰后的导电材料只能缓解穿梭效应，却不能完全消除它。因此，硫正极的应用遇到了极大的挑战。

为了解决升华硫作为正极时的问题，富硫聚合物作为新的正极材料被提出。富硫聚合物是一种制备工艺简单，价格低廉，环境友好的材料。同时，富硫聚合物中，具有活性的硫链通过共价键被均匀地分散在有机框架里，避免了活性物质团聚。此外，通过分子结构设计，富硫聚合物的硫链和不含活性硫的有机部分可以被调节，以此实现不同的电化学性能和电化学行为。调节富硫聚合物中不含活性硫的有机部分，可以调节整个材料的分子轨道，使得此材料具有较好的电子电导，较快的电化学动力学，和较高的放电电压等特性。因此，调控富硫聚合物的不含活性硫的有机部分，可以实现对富硫聚合物电化学性能的优化。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种锂硫电池用聚合物正极材料的制备方法，所述正极材料用于锂硫电池时，不产生多硫化锂中间产物，避免了多硫化锂穿梭效应带来的电化学性能下降。此外，该正极材料含有的苯醌基团提高了材料的电导率和加速了材料的电化学反应动力学。因此，这种材料具有较好的电化学性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用聚合物正极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)将硫化钠和硫粉按比例加入水中，反应后获得多硫化钠的水溶液；

(2)将多硫化钠的水溶液、1,2,3,-三氯丙烷(1,2,3-TCP)、相转移催化剂和2,5-二氯-1,4-对苯醌(2,5-DCBQ)按浓度要求加入水中。在合适温度下，所得混合溶液反应一段时间后获得所述锂硫电池用聚合物正极材料。

步骤(1)-(2)反应过程需要在惰性气体中进行。

步骤(1)中，所述硫化钠为九水合硫化钠或无水硫化钠；所述硫化钠加入水中后，硫化钠的浓度范围为0.1mol L^-1～3mol L^-1。

步骤(1)中，所述硫化钠和硫粉的摩尔比为0.3～1.2。

步骤(1)中，将硫化钠和硫粉加入水中后，在20℃～80℃反应3～48小时，得到多硫化钠的水溶液；反应合成的产物多硫化钠为二硫化钠、三硫化钠和四硫化钠中的一种或几种。