[发明专利]一种锂硫电池硫基正极粘结剂、硫基正极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池硫基正极粘结剂、硫基正极及其制备方法，所述粘结剂是由瓜尔豆胶、黄原胶与PEDOT:PSS高温下热交联得到的，该粘结剂可形成三维交联网络，能够缓冲硫基正极材料在充放电过程中体积变化；丰富的含氧基团不仅能够吸附并减少反应过程中多硫化物的溶解和穿梭，而且有利于充放电过程中的锂离子和电子的传输，加快锂离子在硫颗粒周围的转化速率；由该粘结剂制备的硫基正极具有较大的负载及良好的循环稳定性。利用该粘结剂材料能够解决现有技术硫基正极材料导电性差、易从极片上脱落的问题，同时提高极片导电性和极片材料粘结力，从而达到提升高载量硫基正极极片倍率性能与循环稳定性的目的。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体涉及一种锂硫电池硫基正极粘结剂、硫基正极及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于体积小、能量密度高、环境友好等优点，几乎占据了整个消费电子市场。目前，锂离子电池的能量密度已经接近其极限，满足不了人们对于高能量密度的要求。尤其是电动汽车领域更加需要高能量密度与高功率密度兼具的储能方式。硫资源丰富，价格便宜，环境友好，且具有2600Wh/kg的高理论能量密度，锂硫电池已经成为学术界和工业界研究发展的目标之一。然而，硫在反复充放电过程中会经历大的体积膨胀造成电极颗粒破碎，粉化和脱落；放电中间产物多硫化锂穿梭到负极，一方面造成电池容量的损失，另一方面也造成了锂负极阻抗增加，导致循环性能的衰退；硫及放电产物的电子和离子绝缘性会导致活性物质利用率低，无法实现高倍率循环和高载量正极。

针对这些问题，人们做出了很多努力，其中粘结剂改性是一种操作简便且有效的解决方案。传统的聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂与硫颗粒、集流体之间通过范德华力相互连接，其粘结能力较弱，线性的分子结构不能保证颗粒之间完整的离子/电子通路；分子基团不能对多硫化物起到良好的吸附作用。

虽然采用羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶的混合物能够极大地改善电池性能，但仍不能解决高负载硫基正极在充放电过程中产生的应力变化。三维网络结构能够起到粘结活性物质，缓解由于电极膨胀带来的颗粒破碎、电极脱落，但是对于改善硫正极的离子与电子传导几乎没有任何帮助。在硫基颗粒表面涂覆导电聚合物可进一步提高硫基正极的库伦效率与循环稳定性，但还是与商业化锂离子电池存在很大差距。

基于此，开发高性能硫基正极粘结剂对于新能源汽车的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂硫电池正极粘结剂、极片及其制备方法，所述粘结剂兼具导电和粘结功能，一方面可以缓冲硫在充放电过程中的体积变化，维持电极结构的完整性，另一方面，粘结剂中的含氧官能团能够吸附并减缓多硫化锂的溶解和穿梭；此外，该粘结剂具有导电和离子输运功能，可改善电池的倍率性能和循环稳定性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种粘结剂，所述粘结剂是由瓜尔豆胶、黄原胶和导电聚合物高温下热交联得到；其中，所述导电聚合物可以为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)。

本发明中所述的粘结剂加入到硫基正极中，可以缓冲硫基正极的体积膨胀，从而避免电极颗粒的粉化、脱落等现象；含氧官能团减缓多硫化锂的穿梭效应，同时增加锂离子的输运，稳定电池的循环；导电聚合物可以增加电子的传输。

在本发明中，瓜尔豆胶为非离子型半乳甘露聚糖，表面含有大量的-OH，一方面可与集流体之间形成氢键，另一方面可有效地提高离子传导。黄原胶为细胞外酸性杂多糖，通过自身氢键形成双螺旋结构。瓜尔豆胶和黄原胶中含有大量的含氧官能团形成相互作用位点的网络，以更有效地缓解多硫化物的穿梭。该网络结构与PEDOT:PSS中的磺酸基团在高温下热交联，形成强大的三维交联网络，有效地缓冲硫在充放电过程中的体积膨胀。

在本发明中，以瓜尔豆胶、黄原胶和导电聚合物的总质量100％计，所述瓜尔豆胶的质量百分含量为30％～70％，导电聚合物占总质量的1％～10％。