導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開涉及在二次電池中留存電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池是將諸如燃料和氧化劑的反應(yīng)物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成直流(DC)電的設(shè)備。燃料電池不僅比諸如鋰離子電池的移動式電力儲存系統(tǒng)更有效，而且比燃燒，如化石燃料的電力發(fā)生器(power generator)更有效，因此，其應(yīng)用已經(jīng)被擴(kuò)展到各種領(lǐng)域。通常，燃料電池技術(shù)包括許多種燃料電池，如堿性燃料電池、聚合物電解質(zhì)類型的燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池以及酵素燃料電池。燃料電池在現(xiàn)今非常重要，其至少可分為四類，如，(i)使用壓縮氫氣作為燃料的燃料電池，(ii)質(zhì)子交換膜(PEM)或聚合物電解質(zhì)膜(PEM)電池，其使用諸如甲醇(CH3OH)的酒精、諸如硼氫化鈉(NaBH4)的金屬氰化物、碳?xì)浠衔锘蚱渌D(zhuǎn)化成氫燃料的燃料，(iii)可直接消耗非氫燃料的PEM燃料電池或直接氧化燃料電池，以及(iv)在高溫下直接將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化成電的固體氧化物燃料電池(SOFC)。
[0003]另一方面，作為一種非水電解質(zhì)溶液二次電池，鋰離子二次電池已經(jīng)商品化(commercialized.)。例如，鋰離子二次電池可包括:包括鋰鈷氧化物(例如LiCoO2)的陽極、包括石墨材料或含碳材料的陰級、基于溶解鋰鹽的有機(jī)溶劑的非水電解質(zhì)溶液以及作為分離器的多孔膜。作為電解質(zhì)溶液的溶劑，具有低粘度和低熔點(diǎn)的非水溶劑被使用。
[0004]此夕卜，因?yàn)殇嚵螂姵氐幕钚圆牧?active material)便宜且環(huán)保(environment-friendly)，所以其作為為最有前景的電池被資本化，鋰硫電池具有高的能量密度，因?yàn)殇嚨拿芏仁?830mAh/g，且硫的密度是1675mAh/g。鋰硫電池是二次電池，其使用具有硫-硫組合(sulfur-sulfur combinat1n)的硫基化合物作為陽極活性材料，且使用碳基材料作為陰級活性材料，其中諸如鋰的堿金屬或諸如鋰離子的金屬離子被嵌入或脫嵌。其儲存和產(chǎn)生使用氧化還原反應(yīng)的電能，其中在還原反應(yīng)期間(當(dāng)放電時)，當(dāng)S-S化合被打破時，S的氧化值被還原，且在氧化反應(yīng)期間(當(dāng)充電時)，當(dāng)S的氧化值增加時，S-S組合再次形成。
[0005]鋰空氣電池指的是使用鋰(Li)金屬作為陰級且使用空氣中的氧氣作為陽極活性材料的電池，其是新的能量儲存方法，鋰空氣電池可代替(Mplace)現(xiàn)有的鋰離子電池。鋰空氣電池是其中二次電池和燃料電池被組合(combined)的電池系統(tǒng)，當(dāng)鋰空氣電池的陽極中從外部引入的氧氣還原/氧化反應(yīng)發(fā)生時，鋰空氣電池的陰級中鋰氧化/還原反應(yīng)發(fā)生。其優(yōu)點(diǎn)是與其它第二電池相比，鋰空氣電池的理論能量密度高達(dá)11，140Wh/kg。通常，鋰空氣電池包括陰級、陽極、位于陰級和陽極之間的電解質(zhì)以及分離器。通常，多孔碳被用作為陽極的元件。但是，使用多孔碳作為陽極的元件是不利的，因?yàn)楫?dāng)測量時，充電/放電儲存容量非常低，且由于其對氧氣的還原/氧化反應(yīng)活性低，所以充電/放電循環(huán)壽命低。
[0006]所提出的下一代二次電池使用水或非水溶劑和電解質(zhì)作為反應(yīng)區(qū)域，但是電池容量的表達(dá)有困難，因?yàn)樾枰哓?fù)載陽極，這是由于電池設(shè)計適于目標(biāo)能量密度。因此，當(dāng)陽極具有高負(fù)載時，電解質(zhì)溶液留存是必要的，且研究的結(jié)果是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)插入玻璃過濾器(G/F)時，在高負(fù)載(2.5mg/cm2_S)或更高的電解質(zhì)中容量表達(dá)變得容易。
[0007]但是，其中存在缺陷，即在使用具有5mg/cm2_S或更高的高負(fù)載的陽極的二次電池中，僅使用玻璃過濾器結(jié)構(gòu)的液體留存結(jié)構(gòu)，反應(yīng)區(qū)域是不夠的。
[0008]在該【背景技術(shù)】部分公開的上述信息僅用于為了提高對本發(fā)明的【背景技術(shù)】的理解，因此，其可包括沒有形成的對本國本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明致力于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的有關(guān)問題。
[0010]本發(fā)明提供二次電池中的電解質(zhì)留存結(jié)構(gòu)，其提供反應(yīng)區(qū)域的作用，也表達(dá)電極容量，以便提高電池性能。本發(fā)明涉及二次電池的通用陽極(general anode)和液體留存結(jié)構(gòu)的組合(combinat1n)。本發(fā)明通過提及燃料電池結(jié)構(gòu)或鋰硫電池結(jié)構(gòu)被具體描述，且本發(fā)明中液體留存結(jié)構(gòu)的應(yīng)用包括多個電池結(jié)構(gòu)類型，其可被應(yīng)用于相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域。
[0011]—方面，本發(fā)明提供包括陰級、分離膜、導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)以及陽極的鋰硫二次電池。陰級、分離膜、導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)以及陽極可按順序堆疊(stack)。導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)可具有5μπι到1000 μm的厚度、10g/m2到120g/m 2范圍內(nèi)的面積重量以及70%到95%范圍內(nèi)的孔隙率。
[0012]在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)可為碳紙(carbon paper)、碳租(carbonfelt)、碳面紗(carbon veil)、編織碳(woven-carbon)、碳納米管紙(carbon nanotubepaper)或至少兩個從其中選擇的層疊結(jié)構(gòu)(laminated structure)。
[0013]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，厚度可為50 μπι到500 μm。
[0014]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，厚度可為20 μπι到350 μm。
[0015]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，陽極負(fù)載量可為3mg/cm2.到10mg/cm2。
[0016]另一方面，本發(fā)明提供制造鋰硫二次電池的方法。在將活性材料鑄造(cast)到陽極后，導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)可被層疊，然后與陰級和分離膜組裝，或者其可在電池組裝步驟中被組裝在分離膜和陽極之間。
[0017]在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)可為碳紙、碳租、碳面紗、氣體擴(kuò)散層(GDL)、碳納米管紙或至少兩個從其中選擇的層疊結(jié)構(gòu)。
[0018]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，厚度可為50 μπι到500 μm。
[0019]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，厚度可為20 μπι到350 μm。
[0020]在另一個優(yōu)選實(shí)施例中，陽極負(fù)載量可為3mg/cm2.到10mg/cm2。
[0021]本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選實(shí)施例在下文討論。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解本文使用的術(shù)語“車輛”或“車輛的”或其它的類似術(shù)語通常包括機(jī)動車輛，如包括運(yùn)動型多用途汽車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛的載客汽車，包括各種小船和輪船的水運(yùn)工具，飛機(jī)等等，且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混合電動車輛、氫動力車輛以及其它替代燃料車輛(如，來源于石油之外的資源的燃料)。如本文所提及的，混合動力車輛是具有兩個或更多動力來源的車輛，例如汽油發(fā)動和電動車輛。
【附圖說明】
[0023]本發(fā)明以上和其它特征現(xiàn)在將參考在附圖中說明的某些示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，本文僅以說明方式給出附圖，因此，并不限制本發(fā)明，且其中:
[0024]圖1A-1D分別示出用于形成根據(jù)本公開實(shí)施例二次電池所采用的導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)的碳?xì)值牡头糯蟊稊?shù)圖、高放大倍數(shù)圖、橫截面圖以及表面
[0025]圖2是根據(jù)本公開實(shí)施例的商品化的燃料電池GDL和使用其作為電池的設(shè)計的構(gòu)造;
[0026]圖3是示出當(dāng)有玻璃過濾器(GF)時容量和壽命的曲線圖；
[0027]圖4是示出根據(jù)碳紙厚度的容量和壽命(I次到50次循環(huán))的曲線圖；
[0028]圖5是示出制造使用硫的電池電極的方法的圖；
[0029]圖6是示出用于組裝沒有導(dǎo)電和液體留存結(jié)構(gòu)的電池電極的方法的圖；
[0030]圖7是示出組裝應(yīng)用根據(jù)本公開實(shí)施例的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的電極的方法的圖；
[0031]圖8是示出碳紙、科琴黑(Ketjen black)、高比表面積的導(dǎo)電膜或?qū)⑵浣M合的碳結(jié)構(gòu)層用作根據(jù)本公開實(shí)施例的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；
[0032]圖9是將根據(jù)本公開實(shí)施例的本發(fā)明示例(在高負(fù)載5mg/cm2_S下使用導(dǎo)電結(jié)構(gòu))的容量與對比示例的容量進(jìn)行比較；以及
[0033]圖10是將根據(jù)本公開實(shí)施例的本發(fā)明示例(在低負(fù)載2.5mg/cm2_S下使用導(dǎo)電結(jié)構(gòu))的容量與對比示例的容量進(jìn)行比較。
[0034]應(yīng)當(dāng)理解，附圖不一定是按照比例繪制的，其呈現(xiàn)說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選特征的某種簡化表示。如本文公開的本發(fā)明的具體設(shè)計特征包括，例如具體尺寸、方向、位置以及形狀將部分地通過特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境加以確定。
[0035]在圖中，貫穿附圖的幾個圖中的標(biāo)識號指的是本發(fā)明的相同或等同部件。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下文將詳細(xì)參考本發(fā)明的各種實(shí)施例，本發(fā)明的示例在附圖中說明并在下面描述。雖然將結(jié)合示例性實(shí)施例描述本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本描述并不意在將本發(fā)明局限于這些示例性實(shí)施例。相反，本發(fā)明希望不僅涵蓋示例性實(shí)施例，而且還涵蓋包括在所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種替換例、修改例、等效例以及其它實(shí)施例。
[0037]根據(jù)本公開實(shí)施例的鋰硫二次電