專利名稱：鋰硫電池以及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及基于鋰的電池組，尤其涉及提供高能量密度和增強輸出功率的鋰硫電 池組的構(gòu)造。
背景技術(shù)：
鋰離子電池組已知廣泛應(yīng)用于許多應(yīng)用，比如移動通信、娛樂、甚至高功率應(yīng)用 如汽車應(yīng)用。尤其為在汽車應(yīng)用中的牽引目的，鋰離子電池組涉及大型蓄電系統(tǒng)，比如用 于400km行程的汽車應(yīng)用的600kg電池組重量。由于其電化學(xué)概念，鋰離子電池組具有約 100ffh/kg的能量存儲能力。因此，期望使用鋰硫電池組，其承諾具有最高600Wh/kg的能量密度。但是，現(xiàn)有的 鋰硫電池組具有許多缺點。首先，通過多硫化物的反應(yīng)鏈來進行放電，其中一些多硫化物溶 解在電解質(zhì)中。然而，溶解的硫化物與無防護的陽極相反應(yīng)而導(dǎo)致自放電，并阻礙電池組重 新充電到滿容量。這已知也稱作往返機制(shuttle mechanism)。當(dāng)溶解的硫化物被冷卻或者濃度增加時，可能發(fā)生硫化物的沉淀。這可能在陽極 和陰極之間造成電氣短路。在US 7，029，769 B2中公開了一種鋰硫電池組，其中硫原子松弛地被碳管圍繞。這 些碳管被用作導(dǎo)電劑。但是，由于硫微粒作為粉末來提供，所以不具有機械穩(wěn)定層。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的電池組結(jié)構(gòu)使用了由多孔碳硫復(fù)合物構(gòu)成的陰極。Li2S的循 環(huán)沉積和分解導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)的重布置。這導(dǎo)致在碳微粒之間電子接觸的中斷，這明顯降低了 電池組的性能。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種鋰硫電池組(batteries)或電池(cell)，其解決了 至少一些缺點，并實現(xiàn)了更高的性能。該目的通過獨立權(quán)利要求的主題而得到解決。本發(fā)明能夠明顯提高陰極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并尤其避免了在充電或放電過程期間陰 極結(jié)構(gòu)的退化。另外還避免了所溶解的硫化物的任何反應(yīng)。另外，作為本發(fā)明電池結(jié)構(gòu)的固 有屬性而避免了由于所溶解的硫化物而導(dǎo)致的任何短路。另外，本發(fā)明還實現(xiàn)了高離子流 動度以及陰極結(jié)構(gòu)的高比表面積，這在電池充電或放電時實現(xiàn)了高功率性能。另外，本發(fā)明 的結(jié)構(gòu)還提供了機械完整性，即使電池組暴露于大的機械應(yīng)力下。另外，對于高循環(huán)次數(shù)， 也保持了循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明之下的概念是使用納米管或納米線的連續(xù)層來作為陰極結(jié)構(gòu)，在該陰極結(jié) 構(gòu)中分布有硫微粒。這樣，陰極結(jié)構(gòu)的完整性在充電或放電期間保持不變。另外，硫微粒保 持在納米管或納米線的連續(xù)層中，其為硫微粒提供支撐以把硫微粒的空間限定到該連續(xù)層 本身上，并同時提供了到或從該陰極結(jié)構(gòu)的高離子交換率。這樣，納米線或納米管為硫例子 提供了一個穩(wěn)定的“外罩”或支撐，但并不限制離子或電子的傳輸。
本發(fā)明的鋰硫電池包含有陽極結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和在上述結(jié)構(gòu)之間所夾的電解質(zhì)區(qū) 域。該電解質(zhì)區(qū)域中的至少一部分直接或間接地與陰極結(jié)構(gòu)相接觸，其中該陰極結(jié)構(gòu)由納 米管或納米線的連續(xù)層構(gòu)成，在該連續(xù)層中分布有硫微粒。可以通過把電解質(zhì)區(qū)域與陰極 結(jié)構(gòu)相鄰、也即與納米管或納米線的連續(xù)層鄰接來提供直接接觸。可以通過被夾在電解質(zhì) 區(qū)域與陰極結(jié)構(gòu)之間的至少一個中間層來提供間接接觸。該中間層通過一種傳導(dǎo)鋰離子的 (以固體形式被提供的)電解質(zhì)材料來提供。該中間層以及該固體電解質(zhì)層可以是不同的材 料，但都是鋰離子傳導(dǎo)材料。該電解質(zhì)區(qū)域可以認為包含有不同材料的固體電解質(zhì)層的雙 層結(jié)構(gòu)。如果需要保護該固體電解質(zhì)層以防與陰極結(jié)構(gòu)的材料相反應(yīng)，那么該中間層可以 用作該固體電解質(zhì)層的保護層。反之亦然，如果需要保護該固體電解質(zhì)層以防與該陽極結(jié) 構(gòu)(也即鋰層)相反應(yīng)，那么該固體電解質(zhì)層可以用作該中間層的保護層。另外，硫微粒附著在納米管或納米線的表面或容納在納米管中。該連續(xù)層為硫微 粒提供了固定的布置，但容易地便于離子或電子交換。該連續(xù)層作為織物而被提供，其中納 米管或納米線被相互連接或混合。在該連續(xù)層內(nèi)，提供有在開孔的意義上的空間，這些空 間允許與硫微粒進行離子交換或者與硫微粒進行其他的交互。在本發(fā)明的上下文中，連續(xù) 定義機械結(jié)合體，其可以是柔性的，然而在不破壞該層的給定結(jié)構(gòu)情況下其不能被分離。另 夕卜，這定義了該連續(xù)層的所有部分是機械互聯(lián)的，使得移動該連續(xù)層的一部分必定意味著 該連續(xù)層的其他所有部分以相同方式被移動。然而，該層可以彎曲但這不改變該層的基本 結(jié)構(gòu)。通過使用納米管或納米線，可以實現(xiàn)高比表面積。該連續(xù)層與該電解質(zhì)區(qū)域或者 其至少一部分鄰接。尤其是，如果使用液體電解質(zhì)，那么該電解質(zhì)區(qū)域的一部分尤其能夠被 提供在該連續(xù)層中。所述納米管或納米線由導(dǎo)電材料制成。優(yōu)選地該材料還傳導(dǎo)離子、尤其是鋰離子。 作為納米管使用了碳納米管。另外，納米線通過混合的導(dǎo)體材料來提供。該混合導(dǎo)體材料 允許電流傳導(dǎo)以及鋰離子傳導(dǎo)。該混合導(dǎo)體材料可以是對鋰的電極電位低于2. 9V或低于 2V的材料。另外，該混合導(dǎo)體材料可以尤其通過一種Li-Ti氧化物或Li4_xMgxTi5012，其中 0≤χ≤2或0≤χ≤1，或者Li4_xMgxTi5_y(Nb，Ta)y012，其中0≤χ≤2或0≤χ≤1并且 0 ≤ y ≤ 0.1或 0 ≤ y ≤ 0. 05，或者 Li2_xMgxTi3_y (Nb，Ta)y07，其中 0 ≤ χ ≤ 1 或 0 ≤ χ ≤ 0.5 并且0 < y < 0. 03，來提供。該層可以僅通過納米管或僅通過納米線來提供，或者通過納 米管與納米線相混合來提供。如果該連續(xù)層僅包含有納米管或包含有納米管和納米線的混 合，那么該電解質(zhì)區(qū)域就包含有分布于該連續(xù)層之中的液體電解質(zhì)。在一個可選實施例中， 所述納米管或納米線由不傳導(dǎo)鋰離子的導(dǎo)電材料制成。在這種情況下，在(由納米線/納米 管制成的)連續(xù)層內(nèi)設(shè)置了一種附加的液體電解質(zhì)，以提供鋰離子的傳導(dǎo)性。在該可選實施 例中，所述納米管或納米線通過導(dǎo)電材料、尤其金屬或合金來提供。所述納米管或納米線在 該陰極結(jié)構(gòu)中、也即在所述納米管或納米線中間與該液體電解質(zhì)相結(jié)合。這種結(jié)合提供了 一種混合的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，等效于一種導(dǎo)電材料的屬性。所述納米管、納米線或其混合物具有機械完整性。所述納米管和/或納米線通過 van-de-Vaals力、通過共價鍵、通過在納米管和/或納米線之間的機械連接而相互連接。代 替地或附加地，所述納米管和/或納米線可以被連接到或被布置到支撐上。這種支撐可以 通過傳導(dǎo)材料層來提供(其可以被用作電流收集器)。所述硫微粒包含有硫、任何硫化物、尤其硫化鋰和/或其他硫化合物。這些微粒被固定在所述納米管、納米線或二者的表面上，或 被固定在所述納米管(或納米線)內(nèi)。這些微粒被結(jié)合在該連續(xù)層中。代替地，或者與其相 結(jié)合地，硫微粒被結(jié)合或插入到納米管(或納米線)的連續(xù)層中。硫微粒位于納米管的內(nèi)部 空間中，位于納米線/納米管或二者中間。硫微粒被附著在納米管/納米線上。通過在硫 微粒和納米管/納米線之間的物理或化學(xué)鍵，硫微粒的存在被限定在該連續(xù)層所伸展的空 間上。另外，這種鍵防止硫微粒移動到電解質(zhì)區(qū)域中。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該電解質(zhì)區(qū)域包含有固體電解質(zhì)以及液體電解質(zhì)。固體 電解質(zhì)作為在陰極結(jié)構(gòu)和陽極結(jié)構(gòu)之間的層而給出。固體電解質(zhì)通過對鋰離子傳導(dǎo)性的材 料來提供，其中該材料是電絕緣體。液體電解質(zhì)或其至少部分在該陰極結(jié)構(gòu)和陽極結(jié)構(gòu)之 間沒有被提供，但隨著該連續(xù)層而共同伸展。也就是說，液體電解質(zhì)被設(shè)置于“被設(shè)置在納 米管和/或納米線之間的連續(xù)層中的孔、間隙或空隙”之中。如果該連續(xù)層包含有納米管和 納米線的混合物或者僅被提供有納米管，那么尤其優(yōu)選的是該電解質(zhì)區(qū)域包含有液體電解 質(zhì)。由于納米管本身不提供離子連接性，所以該液體電解質(zhì)在納米管和固體電解質(zhì)之間提 供離子連接。如果使用了液體電解質(zhì)，那么該電解質(zhì)區(qū)域的部分就與該連續(xù)層一起共同伸 展，其中至少一部分液體電解質(zhì)被填充到該連續(xù)層中的空隙中。但是，在任何情況下，在固 體電解質(zhì)與承載硫微粒的連續(xù)層之間都提供有固體電解質(zhì)。液體電解質(zhì)是純的液體或者不同電解質(zhì)的混合物。固體電解質(zhì)可以作為(比如 薄于50 μ m的)薄層來提供。固體電解質(zhì)可以通過玻璃陶瓷或基于鋰的磷酸鹽玻璃或其 他固體電解質(zhì)來提供。固體電解質(zhì)把陽極結(jié)構(gòu)的鋰金屬陽極與陰極相分隔，并且是電絕 緣的。在一個優(yōu)選實施例中，固體電解質(zhì)通過(n)Li2S-(100-n)P2S5玻璃陶瓷來提供，其中 n=50. . . 90，60. . . 80，65. . . 75 或約 70。該陰極結(jié)構(gòu)還包含有一個電流收集器層，該電流收集器層與納米管或納 米線的連 續(xù)層相鄰接。該電流收集器層包含有陰極電連接器以分接(tapping)陰極結(jié)構(gòu)。附加地或 者作為對此代替地，該連續(xù)層可以提供有陰極電連接器，以收集電流。該陰極電連接器通過 層或?qū)щ姴牧媳∧硖峁绕渫ㄟ^金屬或合金或其他任何導(dǎo)電材料來提供。該電流收集 器層可以作為納米管和/或納米線的基底來提供，其中納米管和/或納米線在其上生長。為 此，該電流收集器層可以具有覆蓋層以支持納米線或納米管的生長。該連續(xù)層從而生長在 該電流收集器層上。在一個代替方案中，該電流收集器層可以是單獨的電池元件，并且該連 續(xù)層可以是單獨的電池元件。在這種配置中，該連續(xù)層比如通過外部固定裝置與該電流收 集器層直接接觸。當(dāng)該連續(xù)層包含有用于提供陰極電連接器的電接頭(tap)時，該連續(xù)層 本身就提供電流收集器層。因此，如果該連續(xù)層包含有電接頭，那么該鋰硫電池就可以不具 有電流收集器層。所有的層和結(jié)構(gòu)元件、尤其是陰極結(jié)構(gòu)、陽極結(jié)構(gòu)、(固體)電解質(zhì)以及電流收集器 層都作為二維平面形式來提供，它們相互堆疊。這種多層堆疊可以被卷起或纏繞以形成鋰 硫電池組，該鋰硫電池組包含有至少一個折疊堆疊，這些堆疊中的每個都提供了根據(jù)本發(fā) 明的鋰硫電池。在這種折疊多層結(jié)構(gòu)中，陽極結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)區(qū)域的布置是直線狀 的(linear)，其中該折疊部件提供該裝配的周期交替。通常，這些層和結(jié)構(gòu)元件可以以重 復(fù)結(jié)構(gòu)的形式來提供，尤其作為堆疊結(jié)構(gòu)來提供。另外，這些層和結(jié)構(gòu)元件可以被折疊/捆 綁，以增加比表面積，比如作為180°的彎曲，其緊接著是結(jié)構(gòu)元件或陰極/電解質(zhì)層和陽極結(jié)構(gòu)。另外，陽極和陰極/電解質(zhì)的多個單個結(jié)構(gòu)可以被分組。在一個可替選實施例中，這些層不是平面的層，而是至少部分同心的層，它們在徑 向方向上堆疊在彼此上。這種鋰硫電池組包含有至少一個本發(fā)明的電池，該電池以具有同 心層結(jié)構(gòu)的徑向(radial)結(jié)構(gòu)被提供。在一個例子中，這種徑向結(jié)構(gòu)可以通過內(nèi)部圓柱狀 鋰金屬陽極和固體電解質(zhì)層來提供，其中該固體電解質(zhì)層覆蓋了由該鋰金屬陽極所構(gòu)成的 陽極結(jié)構(gòu)。這樣，該固體電解質(zhì)就具有由該內(nèi)部圓柱的外表面所給定的形狀。該陰極結(jié)構(gòu) 布置在該固體電解質(zhì)的外表面上。這樣，該連續(xù)層就布置在該固體電解質(zhì)的外表面上。最 后，該電流收集器層布置在該連續(xù)層的外表面上。這樣，就可以提供一種同軸并且圓柱狀結(jié) 構(gòu)。代替圓柱狀內(nèi)部鋰金屬陽極來作為陽極結(jié)構(gòu)，可以使用一種平面結(jié)構(gòu)。由于電解 質(zhì)以及陰極結(jié)構(gòu)遵循著內(nèi)部陽極結(jié)構(gòu)的形狀，所以陰極結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)具有相似的形狀。在 這種同心布置中，陽極完全被固體電解質(zhì)包裹。另外，與到外部電流收集器的電連接相類似 地，給出從陽極結(jié)構(gòu)到外部的電連接。在該實施例中，從最里面的陽極結(jié)構(gòu)開始并按照垂直 于陽極結(jié)構(gòu)的徑向方向來給出這種層結(jié)構(gòu)。另外，該陰極結(jié)構(gòu)被注入了傳導(dǎo)鋰離子的液體電解質(zhì)。通常，固體電解質(zhì)用于防止 在可能存在的溶解亞硫酸鹽殘余與金屬鋰陽極之間的接觸。因此，固體電解質(zhì)完全包圍了 該陽極結(jié)構(gòu)。另外，該連續(xù)層以及尤其是分布于其中的硫微粒與液體電解質(zhì)具有密切接觸， 如果提供的話。該液體電解質(zhì)尤其是直接與提供硫微粒的固體硫成分相接觸。這樣，亞硫 酸鹽就停留在連續(xù)層內(nèi)或連續(xù)層中間，而連續(xù)層為硫微粒提供了良好的電接觸和電流收集 器。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，固體和液體電解質(zhì)相串聯(lián)，其中液體電解質(zhì)在連續(xù)層之內(nèi)或連 續(xù)層的表面上保證了與硫/鋰亞硫酸鹽界面的良好接觸。由于連續(xù)層是機械穩(wěn)定的并且固 定布置在電流收集器上，所以就不進行陰極結(jié)構(gòu)的重新布置。本發(fā)明還提供了在此所述的用于制造鋰硫電池的方法。在該方法期間，提供連續(xù) 層來產(chǎn)生該陰極結(jié)構(gòu)。硫微粒比如通過來自氣相或液體溶液的微粒沉積、優(yōu)選地以電化學(xué) 方式被引入。如果該連續(xù)層包含有碳納米管，那么在硫微粒已經(jīng)施加到該連續(xù)層內(nèi)之后，把 至少一部分液體電解質(zhì)填充到該連續(xù)層中。通過把連續(xù)層用液體電解質(zhì)浸漬，在硫微粒和 固體電解質(zhì)之間提供了離子連接。在連續(xù)層內(nèi)具有混合連接器材料的情況下，由于混合連 接器材料本身能夠傳導(dǎo)鋰離子，所以可以省略引入液體電解質(zhì)。納米管或納米線的連續(xù)層優(yōu)選通過化學(xué)氣相沉積來提供。所形成的納米管或納米 線可以互聯(lián)，以構(gòu)成該連續(xù)層。優(yōu)選地所述納米管和/或納米線被直接沉積到傳導(dǎo)層之上， 其中該傳導(dǎo)層提供陰極結(jié)構(gòu)的電流收集器層，使得該連續(xù)層通過沉積過程而被接合到該傳 導(dǎo)層。也就是說，所述納米管或納米線可以直接在該連接層上生長，其中該連接層提供陰極 結(jié)構(gòu)的電流收集器層。根據(jù)該方法的一個實施例，該固體電解質(zhì)可以作為(比如薄于ΙΟΟμπι，薄于 50 μ m,薄于30 μ m或甚至更薄的)薄層來提供，這允許把該層結(jié)構(gòu)進行折疊或卷起，以形成 折疊的多層堆疊結(jié)構(gòu)。


圖1示出了本發(fā)明的電池在平面布置中的一種示例結(jié)構(gòu)；以及圖2示出了具有同心層結(jié)構(gòu)的一個實施例。
具體實施例方式圖1中所示的部件不是按比例繪制的。圖1示出了本發(fā)明的、通過平面層而提供 的電池的橫截面。陰極結(jié)構(gòu)通過鋰金屬陽極10來提供。在該鋰電極10上布置有固體電解 質(zhì)層20。與固體電解質(zhì)層20和鋰金屬陽極10之間的界面相對的表面直接與連續(xù)層40鄰 接。盡管該固體電解質(zhì)層20直接與該連續(xù)層40鄰接，但是還設(shè)置有由液體電解質(zhì)構(gòu)成的一 個象征層30。該象征層30通過液體電解質(zhì)來提供，其把該連續(xù)層40與該固體電解質(zhì)層20 相連接。該連續(xù)層40通過納米管或納米線42來提供，在該連續(xù)層上附著有硫微粒44。在 納米管或納米線之間(以及在其上所布置的硫微粒之間)的空隙中，設(shè)置有液體電解質(zhì)32， 其把硫微粒和納米管與固體電解質(zhì)20通過由該液體電解質(zhì)所提供的界面30而離子連接。 在該連續(xù)層40的、與該連續(xù)層40和固體電解質(zhì)層20之間的界面相對的表面上，布置有電 流收集器層50，在該電流收集器層上附著有連續(xù)層40的納米管或納米線。在該電流選擇器 層40與該鋰金屬陽極10之間提供有電池電壓。從而可以提供有電連接元件(未示出)，并 可以附著在該陽極結(jié)構(gòu)10和電流收集器層40上。在圖2中，與提供陽極結(jié)構(gòu)的鋰金屬陽極10相類似，示出了一個內(nèi)部鋰金屬陽極 110。該陽極結(jié)構(gòu)110完全被固體電解質(zhì)層120所包圍。在該固體電解質(zhì)層120上提供有 連續(xù)層140，該連續(xù)層包含有納米管或納米線142以及其上所布置的硫微粒144。在納米管 或納米線142之間的“孔”或“空間”中填充有液體電解質(zhì)132，該液體電解質(zhì)與該連續(xù)層相 接觸。這樣，該連續(xù)層就被液體電解質(zhì)所浸漬。最后，設(shè)置了外層150，該外層是圍繞該連續(xù) 層140外表面的電流收集器層。該陽極結(jié)構(gòu)110通過電連接112來進行連接，以提供一個 第一電端子，該外電流收集器層150包含有另一電連接152，其提供了第二電端子。在圖1中，由該液體電解質(zhì)所提供的界面30通過一個薄層象征性地來示出。在實 際中，這樣一個層并不存在，而是該連續(xù)層直接與固體電解質(zhì)層鄰接。界面層30從而僅表 示該液體電解質(zhì)的連接功能。在圖2中，這樣一個界面未被示出，該連續(xù)層直接與該固體電 解質(zhì)層鄰接。
權(quán)利要求
1.鋰硫電池，其包含有陽極結(jié)構(gòu)(10)、陰極結(jié)構(gòu)(40，50)和與該陰極結(jié)構(gòu)鄰接的電解 質(zhì)區(qū)域(20，30，32)，其特征在于，該陰極結(jié)構(gòu)包含有納米管或納米線(42)和硫微粒(44)的 連續(xù)層，所述硫微粒附著在納米管或納米線上，其中所述納米管或納米線的連續(xù)層(40)直 接或間接地與所述電解質(zhì)區(qū)域(20，30，32)的至少一部分相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池，其中所述納米管或納米線通過碳結(jié)構(gòu)、和/或混 合傳導(dǎo)材料納米線或納米管或其混合物來提供，其中該混合傳導(dǎo)材料是導(dǎo)電的，并且能傳 導(dǎo)鋰離子，尤其Li-Ti氧化物，以及優(yōu)選傳導(dǎo)Li4_xMgxTi5012，其中0. 05彡χ彡0. 2或優(yōu)選 0.08^x^0. 12，或者其中所述納米管或納米線通過導(dǎo)電材料、尤其金屬或合金、結(jié)合在該 陰極結(jié)構(gòu)中所添加的液體電解質(zhì)而被提供，其中這種組合提供了混合傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其中所述納米管或納米線(42)通過 van-de-Vaals力、通過共價鍵、通過在納米管和/或納米線之間的機械連接而相互連接，或 者其中所述納米管或納米線被連接到或被布置到一支撐(50)上，或者通過上述方式的組 合，并且其中所述硫微粒(44)包含有硫、硫化物、和/或其他含硫化合物，這些硫微粒被固 定在所述納米管或納米線上或其中、結(jié)合在該連續(xù)層中、插入到納米管的連續(xù)層中或其組I=I ο
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的鋰硫電池，其中該連續(xù)層(40)包含有碳納米管，并且 其中該電解質(zhì)區(qū)域包含有固體電解質(zhì)層(20)和液體電解質(zhì)(30，32)，該固體電解質(zhì)層是鋰 離子傳導(dǎo)的并且是電絕緣的，其中該液體電解質(zhì)(30，32)與該固體電解質(zhì)和納米管以及其 中所攜帶的硫微粒相接觸，該液體電解質(zhì)填充了該連續(xù)層(40 )內(nèi)的中間空隙并且與所述硫 微粒(44)以及與該固體電解質(zhì)(20)離子接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的鋰硫電池，其中該連續(xù)層(40)包含有能夠電或離子 傳導(dǎo)的混合傳導(dǎo)材料的納米線，該電解質(zhì)區(qū)域包含有傳導(dǎo)鋰離子并且電絕緣的固體電解質(zhì) 層(20)，其中該固體電解質(zhì)與該納米線離子接觸。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的鋰硫電池，其中該陽極結(jié)構(gòu)(10)包含有元素鋰或鋰 合金，并且其中該電解質(zhì)區(qū)域還包含有固體電解質(zhì)層(20)，該固體電解質(zhì)層通過基于鋰的 磷酸鹽玻璃、(n) Li2S. (IOO-Ii)P2S5玻璃陶瓷來提供，其中50彡η彡90，60 ^ η ^ 80、或優(yōu) 選65 < η < 75，或者通過另外的能夠滲透鋰離子的、是電絕緣體的固體電解質(zhì)來提供。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的鋰硫電池，其中該陰極結(jié)構(gòu)包含有與納米管或納米 線的連續(xù)層鄰接的電流收集器層(50)，該電流收集器層(50)包含有陰極電連接器(152)或 通過導(dǎo)電材料尤其是金屬或合金的層或薄膜來提供，其中所述納米管或納米線在該電流收 集器層(50)上生長，或者其中這些納米管或納米線直接與納米管或納米線相接觸，或者其 中該連續(xù)層(40 )包含有電接頭，以提供陰極電連接器。
8.鋰硫電池組，其包含有根據(jù)前述權(quán)利要求所述的至少一個鋰硫電池，其中該鋰 硫電池組以堆疊或卷起的多層電池結(jié)構(gòu)被提供，或者通過具有同心層結(jié)構(gòu)的徑向結(jié)構(gòu) (110-150)被提供，或者作為重復(fù)鋰硫電池的重復(fù)結(jié)構(gòu)被提供，其中這些電池作為直線狀堆 疊的層或者作為捆綁或彎曲的層被提供。
9.用于制造根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述鋰硫電池的方法，其包括提供該陰極結(jié)構(gòu)的 納米管或納米線(42)的連續(xù)層(40)，以及通過從氣相或者在電化學(xué)上從液體溶液沉積微 粒來引入硫微粒，以及在施加硫微粒(44)之后把電解質(zhì)區(qū)域的液體電解質(zhì)(32)的至少一部分填充到該連續(xù)層中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中通過把碳化學(xué)氣相沉積到傳導(dǎo)層或沉積到該陰 極結(jié)構(gòu)的電流收集器層(50)上來提供納米管或納米線(42)的連續(xù)層(40)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰硫電池以及制造方法，該鋰硫電池包含陽極結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和與該陰極結(jié)構(gòu)鄰接的電解質(zhì)區(qū)域。該陰極結(jié)構(gòu)包含有納米管或納米線以及硫微粒的連續(xù)層。硫微粒被附著在所述納米管或納米線上。所述納米管或納米線的連續(xù)層與至少一部分電解質(zhì)區(qū)域鄰接。本發(fā)明還涉及用于制造本發(fā)明電池的一種相應(yīng)的方法。
文檔編號H01M4/139GK102110849SQ20101059994
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者B·舒曼, G·德羅梅拉雷, M·H·柯尼希斯曼, R·奧邁爾, U·艾澤勒 申請人:羅伯特.博世有限公司