[發(fā)明專利]用于鋰硫電池的金屬-硫電極及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210046634.1
• 申請日: 2012-02-27
• 公開（公告）號: CN103137944A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柳熙淵;禹熙晉
• 申請（專利權(quán)）人: 現(xiàn)代自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M4/1395
• 代理公司: 北京尚誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11322
• 代理人: 龍淳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于鋰硫電池的金屬-硫電極及其制備方法。更具體地，本發(fā)明涉及通過如下制備的用于鋰硫電池的金屬-硫電極：在金屬電極上涂覆包括硫、導(dǎo)電材料和粘合劑的漿料混合物作為電極活性材料，并將其干燥同時施加電場使得導(dǎo)電材料充分配向，以在用于鋰硫電池的陽極時在反復(fù)的充電和放電過程中提供最大化的效率。

背景技術(shù)

金屬-硫電極通常用作鋰硫電池中的陽極。鋰硫電池也已知為車輛工業(yè)中的高性能鋰電池。在金屬硫電極中，由于硫是絕緣體且缺乏導(dǎo)電性，通常使用導(dǎo)電材料。金屬-硫電極中所包含的導(dǎo)電材料為鋰離子運(yùn)動至硫提供傳導(dǎo)路徑，以及在金屬(例如鋁)電極與硫之間提供電子傳導(dǎo)路徑。為將鋰硫電池應(yīng)用至里程可與以汽油為燃料的車輛的里程相比的電動車，能量密度應(yīng)在300-500Wh/kg之間。為實現(xiàn)這點(diǎn)，在鋁電極上以相對厚的方式形成活性材料以增加單位面積的硫的量。由于硫的量增加，導(dǎo)電材料的量必須也增加。然而，由于隨著時間反復(fù)地進(jìn)行充電和放電，增加導(dǎo)電材料的量可能導(dǎo)致電極的導(dǎo)電性降低。為克服該問題，需要具有孔使聚硫化物的運(yùn)輸容易的電極。

鋰硫電池具有2,600Wh/kg的理論能量密度，其大大高于現(xiàn)有鋰-離子電池的570Wh/kg。然而，為了增加用于車輛中的電池組的能量密度，應(yīng)使由硫、導(dǎo)電材料和粘合劑組成的活性材料中硫的比例最大化。而且，當(dāng)前的鋰硫電池也經(jīng)受在反復(fù)的充電和放電之后容量和壽命降低的問題。

如圖1所示，現(xiàn)有的用于鋰硫電池的金屬-硫電極需要大量的導(dǎo)電材料以提供改善的導(dǎo)電性，因為導(dǎo)電材料在金屬電極例如鋁電極上的硫、導(dǎo)電材料[例如碳納米管(CNT)]和粘合劑的涂層中未配向。這導(dǎo)致能量密度降低。而且，由于在放電之后的再充電過程中硫沒有均勻地分散在導(dǎo)電材料中，電極是無效的。此外，其因耐久性差而具有短壽命。

鑒于此，日本專利申請公開第2005-251586號公開了包括正電極集電器的鋰二次電池，其中包括有硫、導(dǎo)電材料和粘合劑。然而，在該方法中沒有解決上述與導(dǎo)電材料的使用相關(guān)的問題。

此外，日本專利申請公開第2006-143496號公開了在基板上形成碳納米管和通過施加電場沿期望的方向上使碳納米管取向。然而，其僅涉及使用電場沿期望的方向使碳納米管配向的技術(shù)而與硫無關(guān)。因此，其未解決上述與金屬-硫電極相關(guān)的問題。

更進(jìn)一步，日本專利申請公開第2011-23276公開了包括具有導(dǎo)電性的樹脂層的集電器，該樹脂層包括響應(yīng)于電場的施加而可逆地膨脹或收縮的電場響應(yīng)性聚合物材料。然而，導(dǎo)電材料與金屬-硫電極完全無關(guān)并且在該專利中沒有使用硫。

韓國專利申請公開第2007-17062號公開了在電極之間形成直流電場的方法以促使導(dǎo)電材料和活性材料的形成。然而，該專利也與金屬-硫電極無關(guān)。

也就是說，現(xiàn)有技術(shù)未能解決在鋰硫電池用金屬-硫電極中的活性材料中提供有效維持的導(dǎo)電性以增加能量密度的問題，其中所述活性材料包括硫、導(dǎo)電材料和粘合劑。

發(fā)明內(nèi)容

在本發(fā)明的示例說明的實施方式中，通過使用電場來調(diào)節(jié)用于電動車輛用下一代鋰硫電池的金屬-硫電極中的導(dǎo)電材料的配向。通過實施上述技術(shù)，導(dǎo)電材料的能量密度可以大大提高，并且使用其的電極在充電-放電循環(huán)過程中呈現(xiàn)出改善的耐久性。

更具體地，本發(fā)明旨在提供能量密度和充電-放電循環(huán)耐久性改善的鋰硫電池用金屬-硫電極。本發(fā)明還旨在提供制備鋰硫電池用金屬-硫電極的方法，其中通過施加電場使包括在金屬-硫電極中的導(dǎo)電材料配向以具有方向性。

一方面，本發(fā)明提供包括涂覆在金屬電極上的電極活性材料的鋰硫電池用金屬-硫電極，所述電極活性材料包括硫、由針狀或桿狀碳材料構(gòu)成的導(dǎo)電材料、和粘合劑。對導(dǎo)電材料進(jìn)行配向以在一個方向上具有方向性。

另一方面，本發(fā)明提供制備鋰硫電池用金屬-硫電極的方法，其包括在金屬電極上涂覆包含硫、由針狀或桿狀碳材料構(gòu)成的導(dǎo)電材料、和粘合劑的電極活性材料于溶劑中的漿料混合物，并且將其干燥同時對金屬電極沿一個方向施加電場，使得導(dǎo)電材料配向以在一個方向上具有方向性。

本發(fā)明的上述和其它方面和特征將在下文描述。

附圖說明

現(xiàn)在將參考本發(fā)明的附圖所圖示的某些示例性實施方式來詳細(xì)地描述本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)勢，下文給出的這些實施方式僅僅用于示例說明，因此不是對本發(fā)明的限制，其中：

圖1示意性地顯示現(xiàn)有的鋰硫電池的金屬-硫電極的結(jié)構(gòu)；且