一种锂硫电池复合正极活性材料、正极及其制备制造技术

本发明专利技术属于锂硫电池技术领域，具体公开了一种锂硫电池复合正极活性材料，其包括Li2S和R

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池复合正极活性材料、正极及其制备


[0001]本专利技术涉及一种锂硫电池领域，具体涉及一种锂硫电池复合正极材料。

技术介绍

[0002]近年来，锂硫电池因为其高能量密度(2500Wh/kg、2800Wh/L)，活性物质硫来源广、价格低廉等优势而备受研究者的关注，被认为是最具发展潜力的下一代高能量密度储能器件之一。但由于“穿梭效应”造成的循环寿命短等问题严重制约了锂硫电池的实际应用。此外，硫化锂(Li2S)作为正极材料可以提供1162mAhg-1
的理论比容量，但是由于其电阻率高，锂离子扩散率低，导致高达4V的初始充电电压。而在高电位下，锂硫电池中的醚类电解液会被分解，从而使电池恶化，造成电池失效。
[0003]针对锂硫电池中多硫化物的穿梭问题，研究者们采取了许多不同的策略并取得了一定效果。研究者们在电池隔膜上负载一些具有极性的金属化合物(氧化物、硫化物、氮化物等)，利用这些化合物与多硫离子的化学吸附作用来抑制其穿梭，例如CN201810129954则通过在锂硫电池隔膜中加入带有片层状结构的二硫化钨，可有效的限制多硫化物的穿梭效应，提升锂硫电池的电池性能。另一方面，通过负极表面处理形成一层相对稳定的人造SEI膜，避免由本征SEI膜不稳定引起的电解质、多硫化物与锂金属的反应，也可以在一定程度上缓解“穿梭效应”的影响。
[0004]针对硫化锂(Li2S)作为正极材料高的初始充电电压问题，研究者们一方面通过减小Li2S颗粒，改善电极动力学，降低Li2S的活化能，从而降低锂硫电池的初始充电电压。另一方面，研究者们借助氧化还原介质，电解液添加剂，金属硫化物等降低Li2S的活化能，达到降低初始充电过电位的目的。这是由于氧化还原介质具有强氧化作用，金属硫化物与硫化锂(Li2S)有亲和作用，促进Li2S发生脱锂反应，降低初始充电过电位。但是这对于锂硫电池的循环容量和循环寿命没有明显的提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是克服现有Li2S正极活性材料存在的充电过电位高、电化学性能不理想的问题，提供一种锂硫电池用包含Li2S和诱导剂的复合正极活性材料(本专利技术也称为复合活性材料)，旨在解决Li2S高的充电过电位问题，提升锂硫电池的放电比容量和循环稳定性。
[0006]本专利技术第二目的在于，提供所述的复合正极活性材料的制备方法。
[0007]本专利技术第三目的在于，提供一种复合有所述的复合正极活性材料的锂硫电池正极(本专利技术也称为复合正极)。
[0008]本专利技术第四目的在于，提供一种所述的复合正极的制备方法。
[0009]本专利技术第五目的在于，提供一种装配有所述的复合正极的锂硫电池。
[0010]现有技术中，解决锂硫电池充电过电位高的主要手段为通过减小硫化锂(Li2S)的粒径大小和加入氧化还原介质来降低Li2S的初始充电过电位。例如，在电解液中加入微量
乙醇，可以将Li2S变成小颗粒，加快锂离子和电子的转移，降低Li2S的转化电位，这对循环性能的改善起到一定作用，但效果有待提升。
[0011]为解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种锂硫电池复合正极活性材料，其包括Li2S和具有式1结构式的诱导剂；
[0012]R
1-Se-Se-R2[0013]式1
[0014]其中，R1和R2为C1～C
12
的烷烃基、C2～C
12
的烯烃基或芳基；所述的烷烃基、烯烃基或芳基上允许含有C1～C4的烷烃基、C1～C4的烷氧基、羟基、硝基、卤素中的至少一种取代基。
[0015]本专利技术研究意外地发现，将式1化合物添加在正极中，其对Li2S具有诱导作用，能够降低Li2S的活化能，降低其充电过程的初始过电位，加快反应动力学，有助于促使Li-S键伸长，促进Li2S的氧化。研究表明，将式1化合物和Li2S联合作为正极活性材料，能够协同改善初始比容量以及循环稳定性。
[0016]本专利技术中，所述的烷烃基例如为直链或者支链烷烃基。所述的芳基例如为苯基、杂环芳基、或者苯基与杂环芳基中的两个及以上的芳香环并合形成的稠环芳基。
[0017]本专利技术中，所述的烷烃基、烯烃基以及芳基上允许含有取代基。所述的取代基例如为C1～C4的烷烃基、C1～C4的烷氧基、羟基、硝基、卤素中的至少一种取代基。
[0018]作为优选，R1和R2为C1～C6的烷烃基、苯基，或者C1～C4的烷烃基、C1～C4的烷氧基、羟基、硝基、卤素中的至少一种取代基取代的苯基。
[0019]进一步优选地，所述的R1和R2为甲基、乙基或苯基；
[0020]进一步优选，所述的R1和R2为相同的取代基。
[0021]本专利技术研究发现，控制Li2S和诱导剂的质量比，有助于进一步控制诱导剂对Li2S的诱导活化作用，有助于进一步协同改善初始容量和循环性能。
[0022]作为优选，所述的Li2S和诱导剂的摩尔比为1～10:1；优选为7～9:1。研究发现，控制在优选的比例下，能够意外地进一步改善初始容量和循环稳定性。
[0023]本专利技术还提供了一种所述的锂硫电池复合正极活性材料的制备方法，将Li2S和诱导剂混合得到。
[0024]优选地，所述的复合正极活性材料的制备方法，将Li2S和诱导剂通过液相混合后脱溶剂得到。例如，将Li2S用溶剂A溶解，得到溶液A。将诱导剂用溶剂B溶解，得到溶液B。将溶液A和溶液B混合均匀后，脱除溶剂，即得。所述的溶剂A和溶剂B均为可溶解各自物料的溶剂。
[0025]优选地，所述的溶剂A为乙醇。所述的溶剂B为锂硫电池电解液。所述的电解液可以采用现有常规的锂硫电池电解液。
[0026]本专利技术还提供了一种锂硫电池复合正极，包含集流体以及复合在集流体上的所述的复合正极活性材料。
[0027]本专利技术中，所述的集流体可以为锂硫电池领域技术人员所能获知的任意集流体；优选为碳纳米管纸、多孔碳纸、碳纳米纤维纸中的至少一种；
[0028]作为优选，所述的碳纳米管优选为圆形碳纳米管纸；直径优选为10～15mm。
[0029]本专利技术中，可基于现有理论和手段，将所述的复合正极活性材料复合在集流体上。例如，对于碳类集流体，可以直接通过碳材料的吸附作用，将所述的复合正极材料复合在所
述的碳材料集流体上；对于平面金属类集流体，可优选通过粘结剂例如PVDF，将所述的正极材料复合在所述的平面集流体上。
[0030]本专利技术中，复合正极中，所述的复合正极活性材料的含量为0.5～5wt％；
[0031]优选地，所述的复合正极中，硫化锂的质量为1～2mg/片。
[0032]本专利技术还提供了一种所述的锂硫电池复合正极的制备方法，将Li2S用溶剂A溶解，得到溶液A；将诱导剂用溶剂B溶解，得到溶液B；
[0033]将溶液A和溶液B混合均匀后，将混合的溶液复合在集流体上，随后脱除溶剂，即得到所述的复合正极。
[0034]优选的制备方法，包括以下步骤：
[0035]1)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池复合正极活性材料，其特征在于，包括Li2S和至少一种具有式1结构式的诱导剂；R
1-Se-Se-R2式1其中，R1和R2为C1～C
12
的烷烃基、C2～C
12
的烯烃基或芳基；所述的烷烃基、烯烃基或芳基上允许含有C1～C4的烷烃基、C1～C4的烷氧基、羟基、硝基、卤素中的至少一种取代基。2.如权利要求1所述的锂硫电池复合正极活性材料，其特征在于，所述的R1和R2为C1～C6的烷烃基、苯基，或者C1～C4的烷烃基、C1～C4的烷氧基、羟基、硝基、卤素中的至少一种取代基取代的苯基；优选地，所述的R1和R2为甲基、乙基或苯基；进一步优选，所述的R1和R2为相同的取代基。3.如权利要求1所述的锂硫电池复合正极活性材料，其特征在于，所述的Li2S和诱导剂的摩尔比为1～10:1；优选为7～9:1。4.一种权利要求1～3任一项所述的锂硫电池复合正极活性材料的制备方法，其特征在于，将Li2S和诱导剂混合得到；优选地，将Li2S和诱导剂通过液相混合后脱溶剂得到；进一步优选，将Li2S用溶剂A溶解，得到溶液A；将诱导剂用溶剂B溶解，得到溶液B；将溶液A和溶液B混合均匀后，脱除溶剂，即得；优选地，所述的溶剂A为乙醇；所述的溶剂B为锂硫电池电解液。5.一种锂硫电池复合正极，其特征在于，包含集流体以及复合在集流体上的权利要求1～3任一项所述的复合正极活性材料。6.如权利要求5所述的锂硫电池复合正极，其特征在于，所述的集流体为碳纳米管纸、多孔碳纸、碳纳米纤维纸中的至少一种；所述的碳纳米管优选为圆形碳纳米管纸；直径优选为10～15mm。7.如权利要求5所述的锂硫电池复合正极，其特征在于，复合正极中，所述的复合正极活性材料的含量为0.5～5wt％；优选地，所述的复合正极中，硫化锂的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，赖延清，张雪亚，姜怀，史晨阳，向前，张治安，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：