專(zhuān)利名稱(chēng)：鋰硫電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種鋰硫電池，尤其涉及一種高能量密度的鋰硫電池。
背景技術(shù)：
隨著石油的逐漸耗盡，大量汽車(chē)及其污染對(duì)全球的沖擊，為電動(dòng)設(shè)備和汽車(chē)提供 安全、廉價(jià)、高能量密度和長(zhǎng)壽命的可充電電池越來(lái)越引起人們的注意。可充電的鋰電池在 所有電池中的能量密度最高，已成為現(xiàn)在大部分移動(dòng)電子產(chǎn)品的能量存儲(chǔ)單元。盡管大部 分電子設(shè)備僅需要中等的充放電速度，但在一些新的應(yīng)用中，如混合動(dòng)力汽車(chē)的反饋制動(dòng)， 能量備份、便攜式電動(dòng)工具同時(shí)需要高能量密度和高功率的電池。這一點(diǎn)對(duì)于目前的鋰電 池還是難以實(shí)現(xiàn)的。好的鋰電池要求電池材料具有高度可逆的存儲(chǔ)鋰的能力，快速轉(zhuǎn)移鋰 離子和電子的能力。這要求所用的材料具有高的鋰離子擴(kuò)散速度來(lái)滿(mǎn)足高功率的安全需 要。 目前的鋰電池以碳作為陽(yáng)極材料，陰極材料是鋰的過(guò)渡金屬氧化物或者磷酸鹽。 一般來(lái)說(shuō)，可充電鋰電池的陰極材料的工作原理是它的晶體結(jié)構(gòu)中通過(guò)插入鋰離子以及 過(guò)渡金屬離子的還原反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)鋰離子和電子。在相應(yīng)的高電位下，鋰離子可以在陰極材 料中反復(fù)脫出和嵌入。作為局部規(guī)整反應(yīng)，充電存儲(chǔ)能力天生就是有限的，在任何可預(yù)期 的系統(tǒng)中大概是300mAh/g。目前人們制得的具備好的功率特性的材料，最大的電量密度是 183mAh/g3。而目前商用的陰極材料，LiCo02大概是140mAh/g， LiMn204大概是100mAh/g，而 LiFeP04大概是150mAh/g，這些材料的能量密度與人們的需求相差還比較遠(yuǎn)。 鋰-硫可充電電池是最有希望成為未來(lái)鋰電池的候選者之一。這種鋰_硫電池不 同于通常的鋰離子電池，它用硫做陰極金屬鋰做陽(yáng)極，按照非局部規(guī)整反應(yīng)"同化"模式工 作。在目前已知的可作為一次電池和二次電池的固體化合物陰極材料中，金屬鋰和硫的理 論電量密度是最高的，分別是3830mAh/g和1670mAh/g。在所有可充電電池中，鋰_硫電池 的氧化還原對(duì)是能量密度最高者之一。假如電池反應(yīng)完全生成Li^，其重量能量密度和體 積能量密度分別達(dá)到2， 500Wh/kg， 2， 800Wh/L6—7。元素硫在地殼中的自然豐度大，具有廉價(jià)、 低毒的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于下一代鋰電池是至關(guān)重要的。 盡管鋰硫電池有這些優(yōu)點(diǎn)，但還有許多挑戰(zhàn)需要面對(duì)。首先硫是一個(gè)高度絕緣的 材料( 5X10—^S/cm，25tO，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不易實(shí)現(xiàn)，難以直接用來(lái)作為陰極材料。實(shí) 際上，硫磺或者含硫的有機(jī)物是絕緣材料。為了能夠在大電流下具有高的導(dǎo)電特性，絕緣離 子的能力并且具有可逆的電化學(xué)反應(yīng)，硫磺必須與附加的導(dǎo)電體保持緊密接觸才能作為陰 極材料使用。為此，現(xiàn)有技術(shù)中利用了不同的碳-硫復(fù)合物。但受接觸面積的限制。目前 報(bào)道的電量密度介于300-550mAh/g9。為了獲得含硫的陰極離子導(dǎo)體，常常在陰極電解質(zhì)中 用液體電解質(zhì)來(lái)作為電荷傳遞媒介體和離子導(dǎo)體。 第二，在充放電的過(guò)程中形成的多硫化合物中間體的陰離子在極性有機(jī)溶劑中 的溶解性很高，這些陰離子可以滲透穿過(guò)隔離膜到達(dá)陽(yáng)極并在陽(yáng)極產(chǎn)生沉淀物(Li^2和 Li^)，在電池的反復(fù)充放電過(guò)程中導(dǎo)致電容量的下降。在放電的過(guò)程中，固體沉淀物擴(kuò)大堆積到陰極表面也能導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不可逆，進(jìn)而導(dǎo)致活性物的質(zhì)量損失。 第三，在循環(huán)充放電的過(guò)程中，鋰電極上會(huì)逐漸長(zhǎng)出枝狀結(jié)晶，枝狀結(jié)晶繼續(xù)生長(zhǎng)
延伸，最終穿過(guò)電解液到達(dá)陰極，可能導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路，這是非常危險(xiǎn)的，因此這種電
池的循環(huán)充放電壽命只有幾次。 針對(duì)這些挑戰(zhàn)，近來(lái)在改善電極材料、優(yōu)化操作過(guò)程和選擇適宜電解質(zhì)方面有了 一些進(jìn)展，比如一些新型的電解液和保護(hù)鋰陽(yáng)極的保護(hù)膜。相對(duì)于電解液的發(fā)展，添加劑和 陽(yáng)極保護(hù)的進(jìn)展更大。 而陰極的瓶頸問(wèn)題仍然存在，由于多硫化合物的可溶性，鋰硫電池缺乏突破性進(jìn) 展。對(duì)于硫化物陰極材料，最近也有一些有意義的進(jìn)展，盡管在實(shí)際的電化學(xué)表現(xiàn)中尚且不
足。這些進(jìn)展包括將無(wú)序的中孔碳和硫按i : i組成的復(fù)合物并結(jié)合離子液的優(yōu)點(diǎn)，得到
很高的初始電量但反復(fù)充放電中電量衰減很快。將硫嵌入到導(dǎo)電聚合物中也取得一些有希 望的結(jié)果，但極化很大，導(dǎo)致輸出電壓較低因而降低了電池的能量密度，且硫聚合物的復(fù)合
物中活性物質(zhì)的負(fù)載量有限(少于55%)，導(dǎo)電聚合物的表面積很小。但這些鋰硫電池的 容量和可重復(fù)性還有一些問(wèn)題需要解決，即使在聚合物中也是一樣。 有機(jī)硫化物和含硫復(fù)合物取代單質(zhì)硫作為陰極材料也有應(yīng)用。盡管一些有機(jī)硫聚 合物，如DMcT (2， 5-二巰基-1 ， 3， 4-噻重氮)，在功率密度和循環(huán)壽命中有比較好的表現(xiàn)，但 它們的電量密度降低特別明顯，幾乎少于理論電量的40%，即使在比較高的溫度下也同樣 如此。雖然已有的報(bào)道顯示碳硫復(fù)合物或者導(dǎo)電聚合物_硫復(fù)合物在可利用的電量和循環(huán) 壽命上沒(méi)有大的改善。但提醒人們要得到一個(gè)好的硫陰極材料，似乎要同時(shí)解決硫的電化 學(xué)活性和多硫化合物中間體在電解質(zhì)中的溶解損失。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種具有高能量密度和高循環(huán)壽命的鋰硫電池。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種鋰硫電池，包括陽(yáng)極，包括選自
金屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽(yáng)極活性物質(zhì)和陽(yáng)極集流體；陰極，包括陰極活性物質(zhì)和陰極集
流體，所述陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機(jī)硫化合物的硫基化合物；電解
質(zhì)，包括電解質(zhì)鋰鹽和混合有機(jī)溶劑；以及隔膜，設(shè)于陰極和陽(yáng)極之間，將電解質(zhì)分隔為
陽(yáng)極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離子通過(guò)；所述陰極活性物質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)的碳-硫
(皿nostructuredcarbon-sulphur)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過(guò)采用納米結(jié)構(gòu)的碳-硫?yàn)殛帢O活性物質(zhì)，使陰
極材料以由納米尺寸的粒子形成的復(fù)合物的形式出現(xiàn)，提高了陰極材料的離子傳導(dǎo)性，降
低了離子和電子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。同時(shí)，使用含鋰復(fù)合物涂層，陰極材料能夠有效的
防止硫反應(yīng)的中間化合物的外流，從而，提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。 優(yōu)選的，納米結(jié)構(gòu)的碳硫復(fù)合物粒子尺寸達(dá)到亞微米級(jí)，比如幾百納米或者幾十
納米。這樣的陰極活性物質(zhì)的粒子尺寸小于1微米，材料的阻值低，更易于鋰離子的通過(guò)，
尤其是在大充電/放電速率的情況下，有效解決可充電電池的功率密度低的問(wèn)題。 優(yōu)選的，所述陰極活性物質(zhì)上具有鋰化合物的涂層。通過(guò)以含有半胱氨酸的多肽
為媒介，誘使超離子導(dǎo)體(比如硅酸鋰)在陰極表面形成結(jié)晶和納米晶體，由此阻止多硫化
物的溶解，同時(shí)仍然能夠允許鋰離子通過(guò)。從而，陰極材料在電池的反應(yīng)過(guò)程中多硫化合物的溶解被抑制，有效提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。 優(yōu)選的，所述陽(yáng)極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丙基哌啶。有利于在充放電的過(guò)程中阻 止鋰電極的枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)，一定程度上避免了發(fā)生短路的危險(xiǎn)，進(jìn)一步提高鋰硫電池的 循環(huán)壽命。 優(yōu)選的，所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丁基哌啶。從而抑制放電過(guò)程中硫陰極 形成的多硫化合物的溶解，避免了電池的反復(fù)充放電過(guò)程中的容量下降和活性物的質(zhì)量損 失，提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。 優(yōu)選的，所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜(LISIC0N)。鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜是一種 離子傳導(dǎo)性能好的隔膜，能夠使碳硫電池的循環(huán)壽命得到有效的提高。 優(yōu)選的，所述的陰極集流體上涂覆有碳納米管陣列。由于傳統(tǒng)的碳結(jié)構(gòu)不規(guī)律，作 為電極在多次循環(huán)后會(huì)發(fā)生變性，從而影響電池壽命。碳納米管陣列使電極整體材料結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，電阻值減小了 ，相應(yīng)的內(nèi)耗也小，因此，鋰硫電池的循環(huán)壽命被延長(zhǎng)。 優(yōu)選的，所述電解質(zhì)鋰鹽選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、高氯酸鋰 (LiC104)中的至少一種。 優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑包含二甲氧基乙烷(匿E)，乙烯碳酸脂(EC) ，二乙基碳酸脂 (DEC)，丙烯碳酸脂(PC)，l，3-二氧戊烷(DIOX)，乙醚，甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜中的至
少一種。 優(yōu)選的，所述有機(jī)溶劑包含聚合物凝膠。電解質(zhì)以凝膠的形態(tài)設(shè)置在電池中，有利 于阻止?jié)撛诘碾姵仉娊庖旱臐B漏，避免對(duì)環(huán)境造成污染。 優(yōu)選的，所述陰極電解質(zhì)含有固體聚合物。這種電解質(zhì)能夠穩(wěn)定陰極材料的放電 性能，提高碳硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。 優(yōu)選的，所述陽(yáng)極包括至少一層金屬鋰的保護(hù)膜，比如鋰磷氧氮化合物保護(hù)膜。保 護(hù)鋰不受周?chē)h(huán)境的潛在危害，比如防止枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)。同時(shí)，還能夠傳導(dǎo)鋰離子。 本實(shí)用新型在不影響陰極材料性能的前提下選擇合適的陽(yáng)極電解液抑制金屬鋰 陽(yáng)極的枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)，而來(lái)自陰極多硫化合物的溶解問(wèn)題可通過(guò)選擇合適的陰極電解液來(lái) 抑制。本實(shí)用新型中沒(méi)有使用堿性溶液，目前鋰離子超級(jí)導(dǎo)體玻璃膜在電池的循環(huán)過(guò)程的 穩(wěn)定性被提高。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的可充電電池的各部分結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例的電池的陰極結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例的電池的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)示意圖。 其中， 1 陽(yáng)極集流體 2 陽(yáng)極活性物質(zhì) 2a 保護(hù)層 3 陽(yáng)極電解質(zhì)
5
4 隔膜 8 絕緣環(huán)
5 陰極電解質(zhì) 9 鋰化物涂層
6 陰極活性物質(zhì)10 陰極
7 陰極集流體 20 陽(yáng)極具體實(shí)施方式參見(jiàn)附圖1 ，本實(shí)用新型提供了 一種具有高能量密度和高循環(huán)壽命的鋰硫電池。鋰 硫電池包括正極，負(fù)極，分隔正負(fù)極的隔膜，以及其中的電解質(zhì)。 本實(shí)施例中，鋰硫電池的正極，也就是陰極10，包括陰極集流體7和陰極活性物質(zhì) 6。鋰硫電池的負(fù)極，也就是陽(yáng)極20，包括陽(yáng)極集流體1和陽(yáng)極活性物質(zhì)2。從附圖中可以 看到，陰極活性物質(zhì)6和陽(yáng)極活性物質(zhì)2之間設(shè)有隔膜4，陽(yáng)極電解質(zhì)3和陰極電解質(zhì)5被 隔膜4分開(kāi)。從而，電池的充放電過(guò)程中產(chǎn)生的離子能夠通過(guò)隔膜4傳遞，而電解質(zhì)本身被 分成了陽(yáng)極電解質(zhì)3和陰極電解質(zhì)5兩部分。 鋰硫電池的負(fù)極20包括陽(yáng)極集流體1和陽(yáng)極活性物質(zhì)2。其中，集流體是本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員所公知的，用于有效的收集產(chǎn)生于陽(yáng)極的電流并提供有效的電接觸面將電流 引致外部電路。集流體的材料可以基于本實(shí)用新型從適當(dāng)?shù)牟牧现腥菀椎倪x擇。比如，陽(yáng) 極集流體1可以是通常選用的材料，可以包括但不僅限于銅，泡沫銅或者泡沫鎳。 陽(yáng)極活性物質(zhì)2通常為金屬鋰，也可以是鋰碳或者鋰合金。鋰合金包括鋰/鋁合 金或者鋰/錫合金。碳材料包括結(jié)晶碳、無(wú)定型碳或者它們的混合物。為了保護(hù)金屬鋰不 受周?chē)h(huán)境的潛在危害，包括枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)，本實(shí)用新型中的陽(yáng)極活性物質(zhì)2采用了帶 有保護(hù)膜的金屬鋰。其中，保護(hù)膜可以是在鋰表面形成的鋰磷氧氮化合物界面膜。在此，保 護(hù)膜可以允許離子通過(guò)，而阻止其他化合物通過(guò)從而損害陽(yáng)極。當(dāng)然，也可以采用銅作為保 護(hù)膜，這樣就不需要形成鋰氮化合物即可形成對(duì)金屬鋰的保護(hù)。如果采用鋰合金形成金屬 鋰的保護(hù)膜，則這種保護(hù)膜會(huì)使陽(yáng)極活性物質(zhì)中可以測(cè)到除了鋰之外的金屬元素。本領(lǐng)域 技術(shù)人員可以知道，合金材料并不僅限于上面提到的鋰/鋁合金或者鋰/錫合金。與選擇 金屬鋰作為陽(yáng)極材料相比，選擇鋰合金作為陽(yáng)極材料，可以有效的阻止鋰枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)， 阻礙鋰陽(yáng)極被腐蝕，從而提高電池的循環(huán)壽命。 鋰硫電池的正極10包括陰極集流體7和陰極活性物質(zhì)6。其中，陰極集流體可以 包括但不僅限于鋁。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，陰極集流體的材料還可以是鎳或者其它的 金屬。為了增加與陰極活性物質(zhì)的接觸，陰極集流體的材料可以選用具有碳涂層的鋁。與 單純的鋁集流體相比，碳涂覆的鋁集流體具有良好的粘接特性，較低的接觸電阻，并且可以 抑制多硫化物的腐蝕。優(yōu)選的，也可以選用涂覆碳納米管陣列的鋁。由于傳統(tǒng)的碳結(jié)構(gòu)不 規(guī)律，作為電極在多次循環(huán)后會(huì)發(fā)生變性，從而影響電池壽命。碳納米管陣列由多壁碳納米
管組成，沒(méi)有無(wú)定型碳。電化學(xué)測(cè)試表明，碳納米管陣列具有較大的電容和較快的電子傳輸 速率。碳納米管陣列使電極整體材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，電阻值減小了，相應(yīng)的內(nèi)耗也 小，因此，陰極集流體上涂覆有碳納米管陣列的鋰硫電池的循環(huán)壽命被延長(zhǎng)。 鋰硫電池放電時(shí)，在陰極，硫被還原，形成多硫化物。已知的多硫化物常以溶解狀 態(tài)而硫化物以沉淀狀態(tài)存在于電極中。陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機(jī)硫化 合物的硫基化合物。本實(shí)用新型中，選擇碳硫復(fù)合物或者納米結(jié)構(gòu)的碳硫作為陰極活性物 質(zhì)。納米結(jié)構(gòu)的碳硫是多孔材料，包括能夠嵌入硫的納米孔陣列。這種材料可以防止硫元素 在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的中間化合物的外流，改善鋰硫電池的循環(huán)壽命。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 該知道，其他類(lèi)型的陰極活性物質(zhì)，如納米硫，納米硅_硫，納米鍺_硫也可以應(yīng)用于此。陰 極材料以由納米級(jí)尺寸的微粒形成的復(fù)合物的形式存在，提高了陰極材料的離子傳導(dǎo)性，降低了離子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。納米結(jié)構(gòu)的碳硫的復(fù)合物粒子是亞微米尺寸微粒，也 就是復(fù)合物粒子尺寸為幾十納米或者幾百納米。由此產(chǎn)生更多的的中間粒子邊界，有利于 鋰離子的傳輸。尤其是在大充電/放電速率的情況下，降低了離子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。 同時(shí)，這種陰極材料能夠有效的防止硫反應(yīng)的中間化合物的外流，從而，提高了鋰硫電池的 循環(huán)壽命和功率密度。 為了防止陰極材料在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的多硫化物的溶解，含有鋰化合物的涂層 被涂覆在陰極材料上。為了形成所述的含有鋰化合物的涂層，可以先以含有半胱氨酸的多 肽為媒介涂在陰極材料表面，然后將其浸泡到含有所述鋰化合物的溶液中，使所述鋰化合 物附著到陰極表面，形成結(jié)晶和納米晶體，并籍此阻止多硫化物的溶解，同時(shí)仍然能夠允許 鋰離子通過(guò)。含有半胱氨酸的多肽具有兩極，半胱胺酸所在的一極能夠與硫形成雙硫鍵而 附著在硫上；另外一極能夠與鋰化合物結(jié)合，比如，硅酸鋰鹽，磷酸鋰鹽，甚至鋰超離子導(dǎo)體 膜。所以，通過(guò)含半胱氨酸多肽的作用，納米結(jié)構(gòu)的碳硫陰極材料的表面上就會(huì)形成一層這 些含鋰化合物的納米晶體。含鋰化合物保護(hù)層形成后，可以進(jìn)行后續(xù)的其他處理工序，如加 熱。如果進(jìn)行加熱工序，多肽受熱后會(huì)蒸發(fā)而損失，而僅留下含鋰化合物保護(hù)膜。由此，形 成陰極的保護(hù)涂層。從而，陰極材料在電池的反應(yīng)過(guò)程中多硫化合物的溶解被抑制，有效提 高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。 隔膜4設(shè)置在陰極與陽(yáng)極之間，可以是一種固體的非傳導(dǎo)性或者絕緣性材料，將陰 極和陽(yáng)極隔開(kāi)并使兩者相互絕緣，從而防止短路，并且隔膜能夠允許離子在陰極和陽(yáng)極之 間傳遞。隔膜上的孔可以充入電解質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)中提供了多種可選擇的隔膜的材料。比如， 聚乙烯(polyethene)禾口聚丙烯(polypropene)，聚四氟乙烯(polytetraf luorethylene) (PTFE)，玻璃纖維濾紙?zhí)沾刹牧系鹊取１緦?shí)用新型中，選擇鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜為隔膜。鋰 超離子導(dǎo)體玻璃膜是一種混合固態(tài)電解質(zhì)玻璃膜，具有高的離子電導(dǎo)性，高的電化學(xué)穩(wěn)定 性，不會(huì)與鋰金屬反應(yīng)，不發(fā)生相變。其基本分子式Li2+2xZni—xGe04(-0 . 36 < x < 0. 87)。這 種隔膜的離子選擇性能好，可以有效的提高鋰硫電池的循環(huán)壽命。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知 道，隔膜還可以采用其它類(lèi)型的固體離子門(mén)膜(solid ion gatemembrane)。 可以看到，本實(shí)用新型中陰極電解質(zhì)和陽(yáng)極電解質(zhì)采用了不同的材料，從而分別 適應(yīng)于陰極活性物質(zhì)和陽(yáng)極活性物質(zhì)的反應(yīng)。本實(shí)用新型中，電解質(zhì)至少包括電解質(zhì)鋰鹽 和混合有機(jī)溶劑。 電解質(zhì)鋰鹽可以包括但不僅限于LiPF6， LiBF4，或者高氯酸鋰(LiC104)。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)該知道，鋰鹽可以有效的增加電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性。 陽(yáng)極電解質(zhì)的混合有機(jī)溶劑可以是通常的有機(jī)液體溶液，如二甲氧基乙烷(DME)， 乙烯碳酸脂(EC) ，二乙基碳酸脂(DEC)，丙烯碳酸脂(PC) ， 1，3-二氧戊烷(DI0X)，各種乙醚， 甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜或以上混合物。比如采用1，3-二氧戊烷(DI0X)。也可以是聚 合物，如聚丙烯腈。也可以包含凝膠，如poly(PEGMEMA1100-BMI)凝膠聚合物。如果采用凝 膠這種電解質(zhì)，由于它本身是一種軟材料，能夠發(fā)生一定的變形，因此相應(yīng)的電池的制作工 藝不會(huì)發(fā)生太大變化。 電解質(zhì)以凝膠的形態(tài)設(shè)置在電池中，有利于阻止?jié)撛诘碾姵仉娊庖旱臐B漏，避免 對(duì)環(huán)境造成污染。陽(yáng)極電解質(zhì)還可以包括含有N-甲基-N-丙基哌啶的離子液。離子液是 由離子組成的常溫下呈液態(tài)的低溫熔鹽，具有良好的離子導(dǎo)電性。采用這種離子液，有利于在充放電的過(guò)程中阻止鋰電極的枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)，一定程度上避免了發(fā)生短路的危險(xiǎn)，進(jìn) 一步提高鋰硫電池的循環(huán)壽命。相應(yīng)的，也可以采用聚合物-離子液的混合物，如乙二醇酯 和三氟甲基磺酰亞胺鋰(LiTFSI)以及N-甲基-N-丙基哌啶的離子液。 陰極電解質(zhì)的混合有機(jī)溶劑也可以是通常的有機(jī)液體溶液，如二甲氧基乙烷 (匿E)，乙烯碳酸脂(EC)，二乙基碳酸脂(DEC)，丙烯碳酸脂(PC)，l，3-二氧戊烷(DI0X)，各 種乙醚，甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜或以上混合物。比如采用二甲氧基乙烷(DME)。當(dāng)然， 也可以采用固體聚合物電解質(zhì)，如Li2S-P2S5的玻璃-陶瓷，或P (E0) 2。Li (CF3S02) 2N_10wt. % Y -LiA102。固體聚合物電解質(zhì)能夠穩(wěn)定硫陰極的放電性能。陰極電解質(zhì)可以包括含有N-甲 基-N丁基哌啶的離子液。采用這種離子液為陰極電解質(zhì)，可以抑制放電過(guò)程中硫陰極形成 的多硫化合物的溶解，避免了電池的反復(fù)充放電過(guò)程中的電量下降和活性物的質(zhì)量損失， 提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。 鋰硫電池的電極反應(yīng)如下所示 正極(陰極)S+2e— — S2— (1) 負(fù)極(陽(yáng)極)2Li — 2Li++2e— (2) 電池反應(yīng)2Li++S+2e— — Li2S (3) 在放電過(guò)程中，S還原成S2-，同時(shí)金屬Li變成Li+。然后Li+從陽(yáng)極電解質(zhì)中擴(kuò) 散通過(guò)LISIC0N膜，最終在陰極產(chǎn)生Li2S。在充電的過(guò)程中，Li+從陰極(Li2S)擴(kuò)散至陽(yáng) 極，得到電子變成金屬鋰。這樣鋰硫電池就可以反復(fù)充放電，有很大的能量密度和功率密度。 利用本實(shí)用新型的原理，可以在任何配置中構(gòu)造電化學(xué)電池。參考附圖2，根據(jù)本 實(shí)用新型的一種鋰硫電池的第一個(gè)具體實(shí)施例。該電池包括銅集流體1，與銅集流體相連的 鋰碳陽(yáng)極2，包覆在陽(yáng)極外圍的含有高氯酸鋰(LiC104)鋰鹽和N-甲基-N-丙基哌啶的離子 液的陽(yáng)極電解質(zhì)3，將陽(yáng)極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)隔開(kāi)的鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜4，以及含有高 氯酸鋰(LiC104)鋰鹽和N-甲基-N-丁基哌啶的離子液的陰極電解質(zhì)5，包覆在陰極電解質(zhì) 外圍的納米結(jié)構(gòu)的碳硫合成物粒子是亞微米尺寸微粒的陰極活性物質(zhì)6，以及涂覆碳納米 管陣列的鋁集流體7。銅陽(yáng)極集流體1與鋁陰極集流體7之間設(shè)有絕緣的0形環(huán)8。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極電解質(zhì)含有1 ， 3- 二氧 戊烷(DIOX)有機(jī)溶液和六氟磷酸鋰(LiPFe)鋰鹽，陰極電解質(zhì)含有二甲氧基乙烷(DME)和 六氟磷酸鋰(LiPFe)鋰鹽，陰極集流體為涂覆碳納米管陣列的鎳，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 同時(shí)參照附圖3，與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第三個(gè)實(shí)施例中，碳硫陰極 活性物質(zhì)上具有鋰化合物涂層9，其它部分結(jié)構(gòu)相同。 同時(shí)參照附圖4，與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第四個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極活性 材料為金屬鋰，同時(shí)陽(yáng)極表面具有鋰磷氧氮化合物保護(hù)層2a，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第五個(gè)實(shí)施例中，陽(yáng)極電解質(zhì)含有 poly(PEGMEMA1100-BMI)聚合物凝膠，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第六個(gè)實(shí)施例中，陰極電解質(zhì)含有Li2S_P2S5 的玻璃-陶瓷固體聚合物，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第七個(gè)實(shí)施例中，陰極集流體為鋁，而其它部 分結(jié)構(gòu)相同。0061] 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第八個(gè)實(shí)施例中，隔膜采用普通的聚乙烯隔 膜，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第九個(gè)實(shí)施例中，陰極電解質(zhì)中不包含N-甲 基-N- 丁基哌啶的離子液，陽(yáng)極電解質(zhì)中不包含N-甲基-N-丙基哌啶的離子液，陰極集流 體采用普通的鋁，不涂覆碳納米管陣列，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。 與第一個(gè)實(shí)施例相比，本實(shí)用新型的第十個(gè)實(shí)施例中，陰極電解質(zhì)中不包含N-甲 基-N- 丁基哌啶的離子液，陽(yáng)極電解質(zhì)中不包含N-甲基-N-丙基哌啶的離子液，而其它部 分結(jié)構(gòu)相同。 盡管本說(shuō)明書(shū)中僅描述和圖示了本實(shí)用新型的幾個(gè)實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)該容易預(yù)見(jiàn)用于執(zhí)行這里描述的功能/或者獲得這里描述的結(jié)構(gòu)的其它手段或結(jié)構(gòu)，每 個(gè)這樣的變化或者修改都視為在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種鋰硫電池，其特征在于，所述鋰硫電池包含包括陽(yáng)極集流體和選自金屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽(yáng)極活性物質(zhì)的陽(yáng)極；包括納米結(jié)構(gòu)的碳-硫的陰極活性物質(zhì)和陰極集流體的陰極；包括電解質(zhì)鋰鹽和混合有機(jī)溶劑的電解質(zhì)；以及設(shè)于陰極和陽(yáng)極之間，將電解質(zhì)分隔為陽(yáng)極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離子通過(guò)的隔膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極活性物質(zhì)上具有鋰化合物 的涂層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池，其特征在于所述的陰極集流體上涂覆有碳納米 管陣列。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種鋰硫電池，包括陽(yáng)極，包括選自金屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽(yáng)極活性物質(zhì)和陽(yáng)極集流體；陰極，包括陰極活性物質(zhì)和陰極集流體，所述陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機(jī)硫化合物的硫基化合物；電解質(zhì)，包括鋰鹽和混合有機(jī)溶劑；以及隔膜，設(shè)于陰極和陽(yáng)極之間，將電解質(zhì)分隔為陽(yáng)極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離子通過(guò)；所述陰極活性物質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)的碳-硫。這種陰極材料能夠有效的防止硫的中間反應(yīng)化合物的損耗，從而提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。
文檔編號(hào)H01M4/62GK201536138SQ20092017419
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者陳璞, 高欣 申請(qǐng)人:蘇州寶時(shí)得電動(dòng)工具有限公司