[发明专利]一种基于硫碳复合材料的富锂电池电极材料

说明书

本发明提供一种基于硫碳复合材料的富锂电池电极材料及其制备方法。该硫碳复合材料可作为锂离子电池的正极材料，硫化铁含量为20‑30wt％。该硫碳复合材料由两部分组成：一是导电性良好的多孔高分子含硫聚合物，可用于固定硫及电解过程中产生的小分子硫化物；另一部分是电化学活性的硫化铁。

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造技术领域，具体涉及一种基于硫碳复合材料的富锂电池电极材料。

背景技术

目前，环境与能源问题日益引起人们的关注，环保高效的电能越来越受到重用。电池也因为是作为电能的重要组成和存储形式而受到广大科研者们的关注并引发了一场又一场的“电池革命”。能量密度高、循环寿命长等性能优势使锂离子电池成为最有发展前途的蓄电池体系，作为一种高性能的二次绿色电池，已在各种便携式电子产品和通讯工具中得到广泛的应用。金属锂的比容量可达3800mAh/g，是现有的负极材料中最高的。而限制锂电池比容量提高的瓶颈是正极材料的比容量较低。因此，新型电池材料的研究尤为关键。

硫化物作为锂电池正极材料具有高比容量，低毒性，价格低廉等优点。具有比容高的优点，此外，还具有廉价、低毒的优点。锂硫电池体系早在上世纪70、80年代就受到了人们的重视。因此基于低当量比、低价格、环保等优点，硫化铁及含硫化物在储能材料的研究领域受到了广泛关注。

较长时间以来，人们对硫化铁等含硫化物作为高容量的正极材料进行了很多的研究，但是这些材料依然存在很多问题。首先，硫化铁本身的导电性很差，必须加入大量的导电剂以增加其导电性，使得电极的能量密度就大大降低了；其次，对硫化铁作为活性材料的正极来说，完全放电时存在的Li2S难溶于极性有机电解液，但部分充电和放电状态时正极含有的多硫化锂易溶于极性电解液，同样，聚有机硫化物放电时产生的小分子硫化物也易溶于有机电解液，并在负极沉积，影响电池的循环性能。在Li-S电池正极材料的研究中，纳米结构的碳材料是一种较为理想的活性物质S的载体，主要是碳具有较高的电子导电性有利于电子的传输，而且碳还具有较高的比表面积可以担载更多的S。此外，还可以通过结构设计，在一定程度上抑制充放电过程中生成的LiPSs的溶解与扩散，一定程度上抑制“穿梭”效应的发生。然而，非极性的碳只具有有限的位点吸附LiPSs极性分子，效果并不明显。因此，如何在碳材料表面引入足够的极性位点，最大程度抑制“穿梭”效应的发生显的尤为重要。目前的研究思路是制备由硫基材料和具备吸附性和导电性的材料组成的复合材料，以导电高分子或导电结构为主链，以提高正极材料的导电性和结构稳定性，而发生氧化还原的含硫基团以侧链的方式连接在主链的碳原子上或含硫化物与导电高分子共混制成复合材料，放电时骨架不发生降解，从而保证正极外型稳定和大部分硫滞留在正极区，循环性将有所增强。

中国专利 CN1214074C、CN1242505C报道了将硫化铁与有机聚合物在高温下复合制备成硫化铁/导电聚合物复合材料。用这种复合材料在锂电池中第二次放电比容量可达800 mAh/g，经过50次循环后，比容量保持在600mAh/g以上。但是上述专利中提到的原料聚合物较贵，对于工业化生产成本太高，且随着循环次数的增加，循环稳定性也不是太好。

总之在现有的电池正极材料制造方法中，都或多或少存在工艺复杂、成本高、难以大规模生产等缺点。因此，开发一种工艺简单、成本低、易于产业化的含硫正极材料是锂硫电池正极材料领域要解决的难题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种原料廉价易得、比容量高、循环稳定性好的用于锂离子电池正极的硫碳复合材料以及该复合材料的制备方法和锂离子电池。得到的硫碳复合材料性能优良，同时合成工艺简单，成本低，易于产业化。