[發(fā)明專利]用于鋰離子電池的封裝的硫陰極

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210106038.8
• 申請日: 2012-04-12
• 公開（公告）號: CN102738448A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: G-A.納斯里;D.博頓;M.納斯里;P.D.萊克;A.帕爾默;M.L.萊克
• 申請（專利權(quán)）人: 通用汽車環(huán)球科技運作有限責(zé)任公司
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧;楊炯

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池的陰極，并涉及形成鋰離子電池的陰極的方法。

背景技術(shù)

此處提供的背景技術(shù)的描述的目的是總體地給出本公開的背景。當(dāng)前署名的發(fā)明人的工作，在該背景技術(shù)部分所描述的程度，以及在提交時可能不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)的本發(fā)明的方面并非明示或暗示地接受為本發(fā)明權(quán)利要求的現(xiàn)有技術(shù)。

鋰離子電池已經(jīng)被證明與其他電池化學(xué)相比能提供更高的能量和功率密度、更寬范圍的操作溫度和出色的循環(huán)壽命和日歷壽命。對各種便攜電子裝置的持續(xù)需求（例如電力手持動力工具）和基于高功率電力應(yīng)用的運輸持續(xù)引導(dǎo)研究集中在更低成本的材料，而不用損失鋰離子電池的可靠性和壽命。結(jié)果，鋰-硫電池單元已成為有吸引力的選擇，因為假設(shè)Li₂S完全反應(yīng)，最高理論比能為大約2600?Wh/kg（1672mAh/g）。

然而，當(dāng)在鋰-硫電池單元中用作陰極活性材料時，元素硫引起兩個問題。第一，硫本身具有很低的電導(dǎo)率，例如在25℃時大約5.0?x?10^-14S?cm^-1。第二，當(dāng)鋰化或放電期間，硫在電池單元的電解質(zhì)中具有高溶解性。當(dāng)充電和放電期間，硫的溶解減少了電化學(xué)電池單元的容量，并且是不希望的。例如，溶解之后，硫陰離子在碳陽極表面上重新沉積并反應(yīng)。因此，鋰-硫電池需要具有改進(jìn)的能量和功率輸出。本公開提供一種新的含硫陰極材料以最小化與硫的高電阻、溶解、反應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)有問題，同時保持所需的可用壽命。過去已經(jīng)進(jìn)行過很多嘗試來混合元素硫和碳顆粒以提高電導(dǎo)率。另外，最近的工作已經(jīng)執(zhí)行以將硫捕集在碳顆粒的微小的和中間的孔中。然而，在這些類型的碳中的硫的沉積不能防止硫暴露于電解質(zhì)，并且在快速容量衰減下僅具有有限的循環(huán)壽命。本發(fā)明提供在具有高長徑比的碳納米纖維的空芯中封裝硫的過程和方法。

發(fā)明內(nèi)容

本部分提供本公開的總體概括，并非是對其全部范圍或所有特征的全面公開。

在各種實施例中，本發(fā)明的教導(dǎo)提供了制造用于電化學(xué)電池單元的陰極元件的方法。該方法包括在封閉環(huán)境中提供中空碳納米管和硫源。然后硫沉積在中空碳納米管的內(nèi)部中。在各個方面，通過加熱硫到高于其升華點的溫度來實現(xiàn)沉積，其中蒸汽相硫沉積在納米管的芯中。方法包括清潔碳納米管的外部表面以除去任何殘留的硫。然后碳納米管結(jié)合到陰極元件中。

在其他實施例中，本發(fā)明的教導(dǎo)提供了制造用于鋰-硫電化學(xué)電池單元的陰極的方法。該方法包括在環(huán)境壓力下的封閉、惰性環(huán)境中提供中空的、疊錐結(jié)構(gòu)的碳納米管和硫源。硫源加熱到高于其升華點的溫度，元素硫沉積在中空碳納米管的內(nèi)部中。碳納米管的外部表面被清潔，并且填充有硫的碳納米管結(jié)合到鋰-硫電化學(xué)電池單元的陰極元件中。

在其他的實施例中，本發(fā)明的教導(dǎo)提供用于電化學(xué)電池單元的陰極材料。該陰極材料包括多個疊錐結(jié)構(gòu)的碳納米管。各納米管限定了中空內(nèi)部和具有基本上連續(xù)的外部表面區(qū)域。元素硫沉積在各納米管的中空內(nèi)部中。

此外，本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。

1.?一種制造用于電化學(xué)電池單元的陰極元件的方法，所述方法包括：

在封閉環(huán)境中提供中空碳納米管和硫源；

在所述中空碳納米管的內(nèi)部沉積硫；

清潔所述碳納米管的外部表面；以及

將所述碳納米管結(jié)合到陰極元件中。

2.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，所述碳納米管包括疊錐結(jié)構(gòu)。

3.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，所述碳納米管包括從大約50nm到大約150nm的平均內(nèi)部芯直徑。

4.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，所述碳納米管包括從大約500到大約5000的平均長徑比。

5.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，包括以一定量提供所述硫源，所述一定量包括比填充所述中空碳納米管的內(nèi)部所需元素硫的理論量多出大約10wt%到大約15wt%。

6.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，所述硫源從由元素硫、硫酸銨、硫化銨和它們的組合組成的組中選擇。

7.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，沉積所述硫包括用硫填充各中空碳納米管的至少大約2/3。

8.?根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其特征在于，沉積所述硫包括使用從由升華、化學(xué)汽相沉積、物理汽相沉積和它們的組合組成的組中選擇的技術(shù)。

9.?根據(jù)技術(shù)方案8所述的方法，其特征在于，沉積所述硫包括加熱所述硫到高于其升華點的溫度。