[發(fā)明專利]鋰硫電池的充電方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200780015114.1
• 申請日: 2007-03-22
• 公開（公告）號: CN101479911A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: Y·V·米克海利克
• 申請（專利權(quán)）人: 賽昂能源有限公司
• 主分類號: H02J7/04
• 分類號: H02J7/04
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司
• 代理人: 郭 輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總的來說涉及電化學(xué)電池和電池組領(lǐng)域，涉及電化學(xué)電池中使 用的電解質(zhì)。更具體地說，本發(fā)明涉及電化學(xué)電池，其中，陰極優(yōu)選包含 含硫的電化學(xué)活性物質(zhì)，陽極優(yōu)選包含鋰，該電池具有高百分比的理論放 電容量，表現(xiàn)出高充放電效率，和/或顯示出低自放電速率。

背景

近年來開發(fā)具有含鋰陽極的高能量密度電池組具有很重要的意義。與 例如嵌鋰式石墨陽極之類的陽極活性物質(zhì)相比，鋰金屬用作電化學(xué)電池的 陽極材料尤其具有吸引力，因?yàn)槠渲亓枯p且能量密度高，而所述嵌鋰式石 墨陽極中非電化學(xué)活性物質(zhì)的存在會增大陽極的重量和體積，由此降低陽 極的能量密度。采用鋰金屬陽極，或含鋰金屬的陽極能夠制成比鋰離子電 池、鎳金屬氫化物電池或鎳鎘電池之類的電池重量更輕，能量密度更大的 電池。這些特征對于便攜式電子設(shè)備如移動電話和膝上型電腦所用的電池 組非常好，例如，參見Linden在《電池手冊》，1995，第2版，第14章，第 75-76頁，和第36章，第2頁，McGraw-Hill，紐約以及Sandberg等在美國專 利6,406,815中的描述，它們各自的內(nèi)容被納入本文作為參考。

由于重量輕，薄膜電池組設(shè)計(jì)尤其適用于便攜式電子設(shè)備，并且，高 表面積使充電可以高速進(jìn)行，并且充電時(shí)的電流密度降低。已知幾種類型 用于制造薄膜鋰電池組的陰極材料，包括含硫-硫鍵的陰極材料，其中，高 能容量和再充電能力來自硫-硫鍵的電化學(xué)斷裂(通過還原)和再次形成(通 過氧化)。含鋰或鈉陽極的電化學(xué)電池中采用的具有硫-硫鍵的含硫陰極材 料包括元素硫、有機(jī)硫或碳-硫組合物。

對于可再充電的鋰/硫(Li/S)電池組，需要進(jìn)一步提高電池性能。理想的電 池組應(yīng)在多次循環(huán)后在實(shí)際放電時(shí)具有高利用率。通常，認(rèn)為電池在20分鐘 (3C)到3小時(shí)(C/3)的時(shí)間范圍內(nèi)放電完成是實(shí)用的放電速率。已探索了許多方 法來改善性能和性質(zhì)如利用率、自放電、充放電效率和過度充電保護(hù)。

非水電化學(xué)電池中的鋰陽極通過與電池組分(包括電解質(zhì)體系中的溶劑和 溶解在該溶劑中的物質(zhì)，例如電解質(zhì)鹽和從陰極進(jìn)入電解質(zhì)的物質(zhì))反應(yīng)，形 成表面膜。從陰極進(jìn)入電解質(zhì)的物質(zhì)可包括陰極制劑的組分和電池放電形成的 陰極還原產(chǎn)物。在陰極是含硫材料的電化學(xué)電池中，還原產(chǎn)物可包括硫化物和 多硫化物。對鋰電極上表面膜的組成和性質(zhì)已進(jìn)行了廣泛的研究，其中一些研 究由Aurbach在非水電化學(xué)(Nonaqueous?Electrochemistry)，第6章，第289-366 頁，marcel?Dekker，紐約，1999中進(jìn)行了綜述。Peled在J.Electrochem.Soc.，1979， 第126卷，第2047-2051頁中將表面膜稱為固體電解質(zhì)界面(SEI)。

SEI對電化學(xué)電池的功能可具有有利或不利的作用，具體取決于SEI的組 成。含鋰陽極的電化學(xué)電池中SEI的有益性質(zhì)包括：對鋰離子的傳導(dǎo)性，同時(shí) 防止或盡可能減小消耗鋰的反應(yīng)，例如與電解質(zhì)鹽、電解質(zhì)溶劑或可溶陰極還 原(放電)產(chǎn)物的反應(yīng)。SEI的不利性質(zhì)包括：降低放電電壓和降低電池容量。 已知來自含硫陰極材料的可溶陰極還原產(chǎn)物對鋰陽極具有高反應(yīng)性，表明Li/S 電池中形成的任何SEI通常對于防止或盡可能減小消耗鋰的反應(yīng)(這些反應(yīng)常 常稱為鋰腐蝕)是無效的。

保護(hù)Li/S電池中的鋰的方法在Visco等的美國專利6,025,094；Nimon等 的美國專利6,017,651和6,225,002；以及Skotheim等的美國專利申請09/721,578 和09/864,890中有所描述。

Li/S電池中硫的利用率取決于多種因素，包括：陰極的配制、放電速率、 溫度和電解質(zhì)組成。如本文所有，“100％利用率”(也稱為“硫利用率”)假定， 若電極中所有的元素硫都得到完全利用，則對于電極中初始存在的每克硫，電 極將產(chǎn)生1675mAh。討論和描述硫利用率的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)有：

(1)Peled等的美國專利4,410,609聲稱，在采用THF或THF/甲苯電解質(zhì) 溶劑的Li/S電池中，硫利用率約為90％，但僅在非常低的放電速率下(單次放 電需2個(gè)月)實(shí)現(xiàn)。