用于鋰-硫電池組的多孔夾層的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總的來說涉及一種用于鋰-硫電池組的多孔夾層。
【背景技術】
[0002]二次或可充電的鋰-硫電池組常常被用在許多固定的或可攜帶的裝置中，如消費電子、汽車和航空工業(yè)中遇到的那些。鑒于包括在與其它種類的可充電電池組相比時相對高的能量密度、一般沒有任何記憶效應，相對低的內(nèi)阻和不使用時低的自發(fā)放電速率等多種原因，鋰類的電池組已經(jīng)獲得流行。鋰電池組在其可用的壽命中經(jīng)歷反復循環(huán)的能力使其具有吸引力并使之成為可靠的電能儲存裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]用于鋰-硫電池組的多孔夾層包括電子組分和帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分。所述電子組分選自碳材料、導電聚合物材料及其組合。在一個實例中，所述多孔夾層可以設置在鋰-硫電池組中的硫基正極和多孔聚合物隔板之間。在另一個實例中，所述多孔夾層可以在多孔聚合物隔板的表面上形成。
[0004]本發(fā)明包括以下方面:
1.用于鋰-硫電池組的多孔夾層，包括或由如下組成:
電子組分，選自碳材料、導電聚合物材料及其組合；和帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分；
2.如方面I中所定義的多孔夾層，其中所述碳材料選自碳納米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其組合；
3.如方面I中所定義的多孔夾層，其中所述導電聚合物材料包括納米纖維、納米管、空心球及其組合，所述導電聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚對苯乙炔、聚苯硫醚或其組合構成；
4.如方面I中所定義的多孔夾層，其中所述電子組分與所述帶負電荷或可帶負電的鋰離子傳導組分之比為1:99-99:1 ；
5.如方面I中所定義的多孔夾層，其中帶負電荷或可帶負電的鋰離子傳導組分在所述多孔夾層中的百分比為所述多孔夾層的總重量％的5重量％或更少；
6.如方面I中所定義的多孔夾層，其中所述帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分選自磺化的四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、聚丙烯酸、海藻酸鈉或單一的鋰離子導電聚合物；
7.如方面I中所定義的多孔夾層，其中所述多孔夾層的厚度為大約1nm至大約1000 μ m ；
8.制備用于鋰-硫電池組的多孔夾層的方法，所述方法包括:
將選自碳材料、導電聚合物材料及其組合的電子組分分散在第一液體中以形成第一分散體； 使多孔載體結構暴露于所述第一分散體，由此所述電子組分保留在所述多孔載體結構的表面上并且所述第一液體通過所述多孔載體結構過濾；
將帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分分散到第二液體中以形成第二分散體；和使所述多孔載體結構暴露于所述第二分散體，由此所述帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分保留在所述多孔載體結構的表面上并且所述第二液體通過所述多孔載體結構過濾；
9.如方面8中所定義的方法，其中在使所述多孔載體結構暴露于所述第一或第二分散體之前，所述方法進一步包括:
將所述第一和第二分散體混合以形成單一的分散體；和
其中所述暴露步驟通過將所述多孔載體結構暴露于所述單一的分散體而同時完成；
10.如方面8中所定義的方法，其中所述多孔載體結構是聚四氟乙烯膜、聚乙烯(PE)膜、聚丙烯(PP)膜、包含PE與PP的共混物的膜或多層結構的多孔PE和PP膜；
11.如方面8中所定義的方法，其中所述方法進一步包括除去所述多孔載體結構，由此形成自由放置的多孔夾層；
12.如方面8中所定義的方法，其中所述多孔載體結構是多孔聚合物膜，并且所述方法進一步包括允許所述多孔聚合物膜保持與所述電子組分和所述帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分接觸，由此形成帶有作為在所述多孔聚合物膜上的涂層的多孔夾層的隔板；
13.用于鋰-硫電池組的隔板，包含:
多孔的聚合物膜；和
在所述多孔膜表面上形成的夾層，所述夾層包括:
電子組分，選自碳材料、導電聚合物材料及其組合；和帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分；
14.如方面13中所定義的隔板，其中所述多孔聚合物膜選自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PE與PP的共混物或多層結構的多孔PE和PP膜；
15.如方面13中所定義的隔板，其中:
碳材料選自碳納米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其組合；或所述導電聚合物材料包括納米纖維、納米管、空心球或其組合，所述導電聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚對苯乙炔、聚苯硫醚或其組合構成；
16.如方面13中所定義的隔板，其中所述帶負電荷的或可帶負電的鋰離子傳導組分選自磺化的四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、聚丙烯酸、海藻酸鈉或單一的鋰離子導電聚合物；
17.一種鋰-硫電池組，包含:
硫基正極；
負極；
設置在硫基正極與負極之間的多孔聚合物隔板；
設置在硫基正極與多孔聚合物隔板之間的多孔夾層，其中所述多孔夾層包括:
電子組分，選自碳材料、導電聚合物材料及其組合；和帶負電荷的鋰離子傳導組分；和多孔聚合物隔板和多孔夾層的電解質(zhì)填充孔；
18.如方面17中所定義的鋰-硫電池組，其中:
所述碳材料選自碳納米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其組合；或所述導電聚合物材料包括納米纖維、納米管、空心球或其組合，所述導電聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺構成；
19.如方面17中所定義的鋰-硫電池組，其中帶負電荷的鋰離子傳導組分在所述多孔夾層中的百分比為所述多孔夾層的總重量％的5重量％或更少；
20.如方面17中所定義的鋰-硫電池組，其中帶負電荷的鋰離子傳導組分選自帶負電荷的磺化四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、帶負電荷的聚丙烯酸、帶負電荷的海藻酸鈉或單一的鋰離子導電聚合物。
【附圖說明】
[0005]本發(fā)明的實例的特征和優(yōu)點通過參考下面的詳細描述和附圖將變得顯而易見，其中相似的參考標記相應于類似的盡管可能不相同的組分。為了簡便起見，具有前面描述的作用的參考標記或特征可以與或者也可以不與它們顯現(xiàn)在其中的其它附圖一起描述。
[0006]圖1A是自由放置的多孔夾層的一個實例的橫截面示意圖，所述多孔夾層包括纖維狀電子組分和與之結合的帶負電荷的鋰離子傳導組分；
圖1B是自由放置的多孔夾層的另一個實例的橫截面示意圖，所述多孔夾層包括多孔電子組分和與之結合的帶負電荷的鋰離子傳導組分；
圖2是顯示充放電狀態(tài)的鋰-硫電池組的一個實例的透視示意圖，所述電池組包括根據(jù)本發(fā)明的多孔夾層的實例；
圖3是用碳納米管和帶負電荷的磺化四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物形成的自由放置的多孔夾層的一個實例的掃面電子顯微鏡(SEM)圖像；
圖4是說明不包括夾層或碳夾層的對比電池組電池與包括根據(jù)本發(fā)明的夾層的實例電池組電池的充電容量和放電容量(mAh/gs)的曲線圖；
圖5是說明不包括夾層或碳夾層的對比電池組電池與包括根據(jù)本發(fā)明的實例夾層的實例電池組電池的庫倫效率(%)的曲線圖；和
圖6是描繪不包括夾層或碳夾層的對比電池組電池與包括根據(jù)本發(fā)明的實例夾層的實例電池組電池在第2循環(huán)中的電壓(V)性能分布的曲線圖。
[0007]應當理解的是圖2中示出的組分描繪說明了鋰-硫電池組的正負電極之間鋰離子的流動，和由此不必按比例畫出。
【具體實施方式】
[0008]鋰-硫電池組通常通過鋰離子在負極(有時稱為陽極)與正極(有時稱為陰極)之間的可逆?zhèn)鬟f進行。正負電極位于用適合于傳導鋰離子的電解質(zhì)溶液浸泡的多孔聚合物隔板的相對兩側(cè)。每個電極還伴有各自的