[發(fā)明專(zhuān)利]一種鋰-硫電池結(jié)構(gòu)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310694099.5
• 申請(qǐng)日: 2013-12-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104716382A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張益寧;張華民;王美日;馬藝文
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01M10/052
• 分類(lèi)號(hào): H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰-硫電池領(lǐng)域，具體涉及一種鋰-硫電池結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

隨著電子、通信設(shè)備以及電動(dòng)車(chē)的迅速發(fā)展，人們對(duì)電池性能提出更高要求。鋰-硫電池是一種以金屬鋰為負(fù)極，硫?yàn)檎龢O活性物質(zhì)的二次電池。作為負(fù)極材料的金屬鋰具有最低的理論電壓，其理論比容量高達(dá)3,862mAh/g，而作為正極活性物質(zhì)的硫比容量也高達(dá)1,672mAh/g。因此，鋰-硫電池具有極高比能量。以鋰為標(biāo)準(zhǔn)，其理論值可達(dá)2,600Wh/kg，而實(shí)際比能量也遠(yuǎn)高于鋰離子電池，目前國(guó)際報(bào)道的最高值可達(dá)420Wh/kg，在民用及軍用領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。

目前，制約鋰-硫電池商業(yè)化應(yīng)用的最大問(wèn)題是其較低的循環(huán)壽命，這是由其獨(dú)特的電極反應(yīng)過(guò)程決定的。鋰-硫電池的充放電過(guò)程對(duì)應(yīng)著多步的電化學(xué)反應(yīng)，作為反應(yīng)中間態(tài)產(chǎn)物多硫化鋰在電解液中可溶，因而可在正負(fù)極間擴(kuò)散穿梭，一方面，造成活性物質(zhì)硫在正極中的重新分布，影響其利用率；另一方面，遷移至負(fù)極的多硫化鋰可與金屬鋰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成自放電，降低電池的庫(kù)倫效率，并對(duì)金屬鋰造成嚴(yán)重的破壞，影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前的解決思路主要圍繞著如何將硫固定于正極中，包括碳材料的孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，期望通過(guò)空間限域的作用抑制硫的擴(kuò)散；硫或者碳硫復(fù)合物的表面包覆改性，如導(dǎo)電聚合物的包覆；或者添加多孔的吸附材料，減緩多硫化物的遷移等等。然而，這些措施往往工藝復(fù)雜，實(shí)施成本較高，不利于電池的商業(yè)化推廣應(yīng)用。

綜上所述，如何抑制多硫化物在正負(fù)極間的遷移擴(kuò)散是提高鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性的關(guān)鍵，但方案的提出需同時(shí)考慮到工藝實(shí)施難易程度和成本的因素。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鋰-硫電池電池結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體實(shí)施方案如下，

本發(fā)明所述的鋰-硫電池結(jié)構(gòu)，包括依次疊合的鋰負(fù)極、多孔隔膜、硫正極，鋰負(fù)極與多孔隔膜間設(shè)置有導(dǎo)電多孔功能層，所述導(dǎo)電多孔功能層為導(dǎo)電多孔碳材料層或?qū)щ姸嗫滋疾牧吓c其它功能組分復(fù)合層，導(dǎo)電多孔碳材料與其它功能組分質(zhì)量之比為10:1～1:10。

其中導(dǎo)電多孔碳材料為顆粒型碳材料、一維線狀碳材料、石墨烯片層碳材料中的一種或二種以上；所述的其它功能組分為鋰化合物、導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物粒子、金屬粒子、單質(zhì)硫中的一種或二種以上。

多孔隔膜為聚丙烯、聚乙烯、聚酰亞胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯并咪唑、聚丙烯腈、聚酰胺、聚砜、玻璃陶瓷中的一種或兩種以上制備而成的隔膜；孔徑范圍0.01～2um。

顆粒型碳材料為KB300、KB600、Super?P、BP2000、乙炔黑、石墨中的一種或二種以上；一維線狀碳材料為單壁和多壁碳納米管、碳纖維、碳布中的一種或二種以上。

一，鋰化合物，包括硫化鋰、多硫化鋰、過(guò)氧化鋰、氧化鋰、溴化鋰、氯化鋰、氟化鋰、碳酸鋰、氫氧化鋰、硝酸鋰、硫酸鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰中的一種或二種以上；

二，導(dǎo)電聚合物，包括聚乙炔、聚對(duì)苯撐乙烯、聚對(duì)苯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩中的一種或二種以上；

三，金屬氧化物粒子，包括氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化銅、氧化鋅、氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、二氧化錫、二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、三氧化鉬、三氧化二釩、氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、氧化鉛、氧化銀、氧化釔、氧化鋯、氧化銥、氧化釕、氧化銠、氧化錳中的一種或二種以上；

四，金屬粒子，包括鐵、銅、銀、鉑、金、鈀、釕、銠、銥中的一種或二種以上。

五，單質(zhì)硫

導(dǎo)電多孔功能層中可含粘結(jié)劑，包括聚合物粘結(jié)劑和樹(shù)脂粘結(jié)劑，如聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯，聚乙烯，羧甲基纖維素鈉，丁苯橡膠，聚氨酯，氟化橡膠等。其中粘結(jié)劑在功能層中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%。

導(dǎo)電多孔碳材料與其它功能組分復(fù)合層制備過(guò)程為機(jī)械混合，或采用化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)方法，于導(dǎo)電多孔碳材料孔道內(nèi)反應(yīng)生成其它功能組分，進(jìn)而用作導(dǎo)電多孔功能層。

導(dǎo)電多孔功能層的制備方法，其過(guò)程為：

方案一，