[發(fā)明專利]可脈沖放電的Li-S電池、Li-S儲備電池及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104201417A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發(fā)明（設計）人: 謝凱;洪曉斌;李德湛;許靜;盤毅;鄭春滿
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M2/14;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 上海金盛協(xié)力知識產(chǎn)權代理有限公司 31242
• 代理人: 段迎春

技術領域

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池及其制備方法，尤其涉及一種Li-S儲備電池及其制備方法。

背景技術

基于鋰金屬負極和硫單質正極的Li-S電池體系的理論能量密度為2600Wh/kg和 2800Wh/L，平均電壓2.1V。與鋰離子電池的理論能量密度580Wh/kg和TNT當量1280Wh/kg 相比，Li-S電池體系具有相當高的能量密度。假設25％的理論值可以在實際電池上實現(xiàn)，Li-S 電池體系的能量密度大約在700Wh/kg，是現(xiàn)有鋰離子電池的4倍。到目前為止，Li-S電池體 系的應用潛能已經(jīng)由多個研究小組的研究給予了證實。

與普通鋰離子電池不同，鋰硫電池組裝完成注液后即處于荷電態(tài)，無需進行活化即可放 電，利用這一特點可將其用作儲備電池。電池的電極和電解液在儲存期間不直接接觸，因而 能較長時間保存而不失效，電池使用前將電解液注入，使電池“激活”，產(chǎn)生所需要的電能。 鋰硫儲備電池在儲存時沒有電能輸出,不產(chǎn)生能量損耗，經(jīng)過不同時間儲存后激活時可以提供 足夠的能量。鋰硫儲備電池可充分發(fā)揮鋰硫電池能量密度高、倍率性能好的性能優(yōu)勢，克服 鋰硫體系作為二次電池使用存在的自放電大、循環(huán)性能不佳等不足，且成本低，綠色環(huán)保， 具有重要的應用價值。

在一般鋰離子電池中，由于電極是以鋰離子的插入脫出為主，所以電極反應的速率由插 入離子的擴散控制；而在鋰硫二次電池中，聚硫電極的反應速率僅由電解質媒介擴散速率決 定。因此，高功率密度可以在鋰硫二次電池中實現(xiàn)。但是在鋰硫二次電池體系中，由于單質 硫為絕緣體，電化學過程產(chǎn)生的不同價態(tài)聚硫鋰也為電子絕緣體，加之鋰硫電池電化學過程 本身具有特殊性，具體表現(xiàn)在兩個方面，一是電化學過程伴隨復雜的相變過程，二是放電時 的動力學過程復雜，分為高速、中速和低速動力學三個過程，因此目前該電池體系的研制為 充分體現(xiàn)高功率密度優(yōu)勢，需要從硫正極設計、電解液調配和電池結構等多方面綜合考慮， 以提高電池的脈沖及倍率放電特性。

使用普通隔膜和電解質的鋰離子電池體系，在充放電過程中，由于陰離子不參與電極反 應，聚集在電極/電解質界面，會阻礙陽離子的遷移，從而降低電流密度，影響電池的能量效 率和使用壽命，特別是大電流放電時會產(chǎn)生較為嚴重的問題。鋰離子電池目前所廣泛使用和 研究的聚合物電解質多屬于雙離子導體，其在電場作用下陰陽離子分別向正負極移動，鋰離 子遷移數(shù)比較低，僅在0.2～0.5之間，這還會引起電解液中的濃差極化。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種循環(huán)性能好、能量密度高、 可以較大倍率放電、倍率性能好、一次激活性能好的可脈沖放電的Li-S電池及Li-S儲備電池， 還相應提供一種Li-S儲備電池的制備方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提出的技術方案為一種可脈沖放電的Li-S電池，可以是單 體電池、電池堆或電極組，包括電解液以及由正極組件、負極組件和隔膜組成(卷繞或疊片) 的電池電芯，所述正極組件包括集流體和涂覆于集流體上的正極活性物質和粘合劑(粘合劑 優(yōu)選聚氧乙烯、聚乙烯、聚氧乙烯-聚氧丙烯共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯-聚 醋酸乙烯酯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物中的一種或多種)，所述正極活性物質為單質 硫或有機硫化物；所述負極組件主要為鋰金屬或含鋰合金，所述隔膜為對陰離子具有阻隔性 的復合隔膜，該復合隔膜主要由基膜(優(yōu)選多孔聚合物隔膜、快速吸水紙、棉纖維、玻璃纖 維膜等)和涂布于基膜上的具有單鋰離子透過性的聚合物電解質涂層組成，所述聚合物電解 質涂層為全氟磺酰胺鋰型(單鋰離子型)聚合物電解質組成，該全氟磺酰胺鋰型聚合物電解 質的主鏈為高度結晶形成致密阻擋層的全氟碳鏈，側鏈含Si-O或C-O重復單元及固定大陰離 子末端基團。