[发明专利]一种固态锂硫电池、电池正极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种固态锂硫电池正极，按质量百分比计，主要由下述组分组成：固体电解质5％～30％，单质硫60％～85％，碳载体5％～30％，粘结剂0.1％～10％，其中，所述的固体电解质为二元硫化物(Li₂S)_a(P₂S₅)_1‑a或三元硫化物(Li₂S)_b(P₂S₅)_c(LiX)_1‑b‑c。所述的固态锂硫电池正极的制备，其中固体电解质是在碳载体存在的条件下，由硫、三乙基硼氢化锂、五硫化二磷以及可选的其它组分分步合成制得，各反应步骤在碳载体表面和孔道内进行，合成固体电解质并均匀分布在所述碳载体上，并且单质硫与碳载体之间实现分子级混合，提升正极活性组分间的接触性能。

技术领域

本发明属于固态电池技术领域，涉及一种固态锂硫电池、电池正极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池已经成为当今社会的主流移动便携式电源，广泛应用在笔记本电脑、手机和其他便携式电器中。技术进步促使锂离子电池的应用范围越来越广泛，目前锂电池已逐步从手机、笔记本电脑向电动自行车、电动汽车等领域拓展。随着电动汽车行业的兴起，人们对电动汽车用动力电池的续航能力、使用寿命以及安全性能有了进一步需求，开发安全的高能量密度锂电池成为下一阶段研发的重点。

在新的储能体系中，以金属锂为负极，单质硫为正极的锂硫电池(Li/S电池)理论能量密度可达到2600Whkg^-1，硫正极比容量为1675mAhg^-1，远大于现阶段所使用的以石墨为负极的商业化锂离子电池的300Whkg^-1。因此，以金属锂为负极的锂硫电池在未来化学电源发展中具有很大的应用前景。其中固态锂硫电池因不含液态电解液，避免了常规液态锂硫电池在充放电循环中电解液与金属锂反应造成的金属锂粉化，进而避免了电池失效甚至起火爆炸等安全问题。在常规固态锂硫电池正极制备方法中，固体电解质与单质硫、碳材料、粘结剂等材料采用机械混合，固体电解质与正极中其他组分颗粒间分散不均匀，接触较差，正极离子电导率较低，进而影响了固态锂硫电池正极的发挥容量与电池的循环性能。

为解决这一问题，例如，公开号为CN113036073A、公开日为2021.06.25、申请人为中国科学院上海硅酸盐研究所与康宁股份有限公司的中国专利申请公开了“用于固态锂硫电池的一种复合正极及其制备方法”，该复合正极由活性元素硫、导电碳和硫化物电解质组成，并且硫化物电解质均匀地包覆在导电碳的至少一个表面上。其制备方法包括由棉花纤维经过高温碳化得到碳纤维(CDCF)粉体，在CDCF上原位包覆电解质组分形成一种复合粉体并与活性硫粉体研磨共热得到复合正极粉体。该发明通过液相法将硫化物电解质包覆在导电碳组分上改善了碳纤维与硫化物锂离子导体之间的界面接触。该发明虽提高了正极的离子电导率，但未说明是否能改善电池的循环性能。

发明内容

为解决固态锂硫电池中固体电解质与正极其他组分颗粒间分散不均匀、接触性差、正极离子电导率低的问题，本发明提供了一种固态锂硫电池正极及其制备方法，利用在碳材料表面直接合成固体电解质，以及单质硫与含固体电解质的碳材料之间分子级混合，大大提升了正极各组分间的接触性能，进而提高固态电池锂硫正极的离子电导率，提高电池的发挥容量和使用寿命。

根据本发明的固态锂硫电池正极主要由固体电解质、单质硫、碳载体以及粘结剂组成。其中固体电解质是在与碳材料预先混合的条件下，由硫、三乙基硼氢化锂、五硫化二磷以及可选的其它组分分步合成制得。

一种固态锂硫电池正极，其特征在于，按质量百分比计，主要由下述组分组成：