鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及將硫分別加載到現(xiàn)有的陽極結(jié)構(gòu)和碳結(jié)構(gòu)層中的鋰硫電池的陽極。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰硫電池具有遠(yuǎn)高于鋰離子電池(理論上的能量密度570Wh/kg，當(dāng)前水平約120ffh/kg)的理論能量密度2600Wh/kg。
[0003]然而，作為活性材料的硫和作為產(chǎn)品的硫化鋰(Li2S)均是絕緣體，因而在放電期間降低了能量容量。
[0004]當(dāng)不能充分地確保電極內(nèi)的硫的反應(yīng)面積時(shí)，硫利用率降低而導(dǎo)致放電容量減少，并且當(dāng)Li2S在放電期間局部聚集在正極內(nèi)時(shí)，電極內(nèi)的電阻增加而導(dǎo)致放電容量減少。具體而言，由于用于能量密度增加的硫的加載量變得更大，并且由于用于輸出改善的電流密度增加，因此這樣的現(xiàn)象加劇。
[0005]然而，由于電動(dòng)車輛(EV)用的電池需要具有大的絕對(duì)容量，因此高硫加載電極(8mg/cm2或更大)對(duì)于在給定空間內(nèi)儲(chǔ)存大量能量而言是必要的。另外，為了滿足所需的輸出規(guī)格，即使在高電流密度下也需要在電極內(nèi)的放電電壓未減小的情況下獲得足夠的容量(1200mAh/g?；蚋?。
[0006]在開發(fā)具有這樣的屬性的鋰硫電池中，設(shè)計(jì)陽極結(jié)構(gòu)以便增加硫的反應(yīng)面積并且到處均勻地產(chǎn)生Li2S對(duì)于增加能量容量是非常重要的。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的硫被很高地加載在鋰硫電池的陽極中。
[0007]參見圖1，用于包括根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的高加載硫而具有高電流密度的鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)可以歸類為如下3種類型。
[0008]在類型I中，因通過乳制而增加被覆片密度導(dǎo)致體積能量密度增加，因此，電極制造工藝是簡(jiǎn)單的并且能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)。
[0009]然而，因較窄的硫反應(yīng)面積而導(dǎo)致電池容量減小，并且因Li2S的局部聚集而導(dǎo)致電池容量減小和壽命特性降低。此外，因不充分的電解質(zhì)更換而導(dǎo)致電池容量減小和壽命特性降低。
[0010]在類型2中，由于電解質(zhì)更換充分，因此提高了電池容量和壽命特性，并且由于硫反應(yīng)面積增加，因此也提高了電池容量。然而，由于使用了厚重的碳結(jié)構(gòu)層，因此減小了能量密度。
[0011]最后，在類型3中，由于電解質(zhì)更換充分，因此提高了電池容量和壽命特性，并且由于硫反應(yīng)面積增加，因此也提高了電池容量。另外，由于類型3比類型2要薄，因此相比于類型2，提高了能量密度。然而，由于不可能進(jìn)行碳結(jié)構(gòu)層的乳制，因此減小了體積能量密度，并且由于Li2S局部聚集，因此電池容量減小和壽命特性降低。此外，因復(fù)雜的工藝而導(dǎo)致難以大批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開試圖解決上述現(xiàn)有的鋰硫電池陽極結(jié)構(gòu)的問題。本發(fā)明的構(gòu)思的方面提供一種陽極結(jié)構(gòu)，其能夠進(jìn)行硫陽極的乳制，具有充分的電解質(zhì)更換，并且在不浸漬過多的硫的情況下維持高能量密度。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思的示例性實(shí)施方式，鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)包括層疊在鋁箔上的硫陽極、以及設(shè)置在硫陽極與浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層之間的碳涂層。硫陽極包括硫、導(dǎo)體和粘合劑。浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層是與對(duì)電極分隔的聚酯(PE)分隔膜。陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫的加載量分散于硫陽極和浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層。
【附圖說明】
[0014]現(xiàn)在將參照附圖中所示的本發(fā)明的某些示例性實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明的上述及其他特征，所述附圖僅通過說明的方式在下面給出且因此不限制本發(fā)明。
[0015]圖1是可以被分成3種類型的鋰硫電池的現(xiàn)有陽極結(jié)構(gòu)的模擬圖。
[0016]圖2是本發(fā)明構(gòu)思的鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)的模擬圖。
[0017]圖3是示例I至3的鋰硫電池的模擬圖。
[0018]圖4是示例I至3的使用陽極的紐扣電池的主要充電和放電曲線的圖表。
[0019]應(yīng)該理解，附圖不一定要依比例，而是呈現(xiàn)出說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的稍微簡(jiǎn)化的表示。本文中公開的本發(fā)明的特定設(shè)計(jì)特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形狀，將部分地由期望的特定應(yīng)用和使用環(huán)境來確定。在附圖中，附圖標(biāo)記在附圖的幾幅圖中始終指代本發(fā)明的相同或等效部分。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下文將詳細(xì)參照本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式，其實(shí)施例在附圖中圖示并在下文描述。盡管將結(jié)合示例性的實(shí)施方式說明本發(fā)明，但應(yīng)理解，本說明書不是要將本發(fā)明限制到這些示例性的實(shí)施方式。相反，本發(fā)明不僅要涵蓋這些示例性的實(shí)施方式，還要涵蓋包括在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的思想和范圍內(nèi)的各種選擇、修改、等效物及其它實(shí)施方式。
[0021]本公開提供一種鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)，其包括層疊在鋁箔上的硫陽極、以及設(shè)置在硫陽極與浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層之間的碳涂層。硫陽極包括硫、導(dǎo)體和粘合劑。浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層是與對(duì)電極分隔的聚酯(PE)分隔膜。陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫的加載量分散于硫陽極和浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層。
[0022]硫陽極可以通過被乳制成具有l(wèi)g/cc以上(2g/cc以下)的被覆片密度來致密地制造。
[0023]導(dǎo)體可以是選自石墨、超級(jí)碳(Super C，TIMCAL公司的產(chǎn)品)、氣相生長(zhǎng)碳纖維、科琴黑、登卡(denka)黑、乙炔黑、炭黑、碳納米管、多壁碳納米管和有序介孔炭中的一種或多種類型。粘合劑可以是選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯-聚偏二氟乙烯共聚物、聚丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纖維素(CMC)、丁苯橡膠(SBR)，以及它們的衍生物、混合物和聚合物中的一種或多種類型。然而，導(dǎo)體和粘合劑并不限制于此，并且包括能夠被認(rèn)為用于本公開的技術(shù)領(lǐng)域的所有成分。
[0024]碳涂層可以制造為選自超級(jí)碳、氣相生長(zhǎng)碳纖維、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳納米管、多壁碳納米管和有序介孔炭中的一種或多種類型。浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層可以形成具有選自碳纖維、科琴黑和乙炔黑中的一種或多種碳材料的結(jié)構(gòu)層。
[0025]由于硫可以分別加載到硫陽極和浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層中，因此，作為陽極結(jié)構(gòu)中的硫的加載量，硫陽極可以包含0.5至0.7mg/cm2的硫，并且浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層可以包含0.5 至 0.7mg/cm2的硫。
[0026]以下，將更詳細(xì)地描述本公開。
[0027]本公開的陽極結(jié)構(gòu)將硫分別加載至陽極和碳結(jié)構(gòu)層中，以便增加作為活性材料的硫的利用率，并且防止作為產(chǎn)品的Li2S的局部聚集。
[0028]本公開的鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)可以乳制或致密地制造硫陽極(lg/cc以上，2g/cc以下的被覆片密度)，因此，可以提高電池的體積能量密度。
[0029]另外，Li2S可以通過分成硫陽極、碳涂層以及碳結(jié)構(gòu)層而產(chǎn)生，因此減少了因Li2S再生導(dǎo)致的穿梭現(xiàn)象(shuttle phenomenon)。
[0030]碳結(jié)構(gòu)層可以實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)更換的作用，因此，由于不需要大量硫浸漬在碳結(jié)構(gòu)層中，因此工藝變得簡(jiǎn)單。
[0031]實(shí)施例
[0032]以下，將參考下面的實(shí)施例更詳細(xì)地描述本公開，然而，這些實(shí)施例僅用于示例的目的，并不是限制或約束本公開所要保護(hù)的范圍。
[0033]實(shí)施例(參見圖3)
[0034]樣品#1通過將均勻混合的陽極漿料(導(dǎo)體、硫、粘合劑、溶劑)涂覆在鋁箔上并接著進(jìn)行干燥來制作，這是用于制造鋰硫電池用的陽極的基本方法。
[0035]樣品#2通過以與樣品#1同樣的方式制作陽極并接著將與碳涂層一體的碳結(jié)構(gòu)層(例如，GDL)置于陽極上來制備。
[0036]樣品#3通過與樣品#1同樣地將一定量的均勻混合的陽極漿料涂覆在鋁箔上并且通過將剩余的漿料浸漬在GDL的內(nèi)側(cè)來制作。
[0037]測(cè)試結(jié)果(參見圖4)
[0038]樣品#1由于不存在碳結(jié)構(gòu)層，因此即使具有作為樣品的最低量的6.4mg/cm2的硫加載量，也并未有效地更換電解質(zhì)，并且表現(xiàn)出因不充分的硫反應(yīng)面積而導(dǎo)致的低放電電壓和容量。因此，期望具有8.0mg/cm2以上的硫加載量的電極表現(xiàn)出更低的電壓和容量。
[0039]在樣品#3中，硫分別被加載到陽極和碳結(jié)構(gòu)層中，當(dāng)以200mA/g。的高電流密度放電時(shí)，獲得1271mAh/g。的容量。另外，相比于大量的硫僅加載到陽極中的樣品#2，表現(xiàn)出更高的放電壓力。這表示隨著接觸電解質(zhì)的硫的量的增加，更多的硫能夠參與反應(yīng)。此夕卜，這證實(shí)了通過全局均勻而非局部地產(chǎn)生Li2S，陽極內(nèi)的電阻在放電期間得以減小。作為結(jié)論，通過根據(jù)功能劃分電極并且分別加載硫可以提高能量容量。
[0040]本發(fā)明的鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)可以乳制或致密地制造硫陽極(lg/cc以上，2g/cc以下的被覆片密度)，因此，可以提高電池的體積能量密度。
[0041]另外，Li2S可以通過分成硫陽極、碳涂層和碳結(jié)構(gòu)層而產(chǎn)生，因此因Li2S再生導(dǎo)致的穿梭現(xiàn)象減少。
[0042]碳結(jié)構(gòu)層可以實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)更換的作用，因此，由于不需要大量的硫浸漬在碳結(jié)構(gòu)層中，因此工藝變得簡(jiǎn)單。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)，包括: 層疊在鋁箔上的硫陽極；以及 設(shè)置在所述硫陽極與浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層之間的碳涂層， 所述硫陽極包括硫、導(dǎo)體和粘合劑， 所述浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層是與對(duì)電極分隔的聚酯(PE)分隔膜，并且 所述陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫的加載量分散于所述硫陽極和所述浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述硫陽極乳制成具有大于或等于lg/cc且小于或等于2g/cc的被覆片密度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述導(dǎo)體為選自石墨、超級(jí)碳、氣相生長(zhǎng)碳纖維、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳納米管、多壁碳納米管和有序介孔炭中的一種或多種類型。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述粘合劑為選自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙燒、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯-聚偏二氟乙烯共聚物、聚丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纖維素(CMC)、丁苯橡膠(SBR)，以及它們的衍生物、混合物和聚合物中的一種或多種類型。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述碳涂層為選自超級(jí)碳、氣相生長(zhǎng)碳纖維、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳納米管、多壁碳納米管和有序介孔炭中的一種或多種類型。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層形成具有選自碳纖維、科琴黑和乙炔黑中的一種或多種類型的碳材料的結(jié)構(gòu)層。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述硫陽極包含0.5至7.0mg/cm2的硫。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陽極結(jié)構(gòu)，其中， 所述浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層包含0.5至7.0mg/cm2的硫。
【專利摘要】本公開提供一種鋰硫電池的陽極結(jié)構(gòu)，其包括層疊在鋁箔上的硫陽極、以及設(shè)置在硫陽極與浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層之間的碳涂層。硫陽極包括硫、導(dǎo)體和粘合劑。浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層是與對(duì)電極分隔的聚酯(PE)分隔膜。陽極結(jié)構(gòu)內(nèi)的硫的加載量分散于硫陽極和浸漬有硫的碳結(jié)構(gòu)層。
【IPC分類】H01M4/587, H01M4/38, H01M4/13
【公開號(hào)】CN105047856
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410852976
【發(fā)明人】樸相鎮(zhèn), 柳熙淵, 李允智, 禹熙晉
【申請(qǐng)人】現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2014年12月31日
【公告號(hào)】DE102014226934A1, US20150311489