[發明專利]一種鋰硫電池

在審

• 申請號: 201510930374.8
• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN106876777A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 張洪章;張華民;李先鋒;曲超;王美日
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M10/052
• 分類號: H01M10/052;H01M10/0568
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明一般性涉以硫做活性物質的電極，更具體涉及鋰硫電池的應用。

背景技術

1962年，Herbert等人申請了以單質硫作為電池正極的專利，鋰硫電池的研發正式拉開了序幕。數據表明，硫在自然界中豐度大概為0.048wt％，且屬于尚未充分利用的自然資源。自然界中的硫主要是以常溫下熱力學穩定的單質硫(S₈)形式存在，具有低毒性、價格低廉、存量大和低密度等特點，比容量高達1,675mAh/g，是目前已知的比容量最高的正極材料。鋰也是自然界中電位最負，能量密度最高的金屬，鋰與硫組成的電池(Li/S)有很高的理論能量密度，質量比能量更是高達2,600Wh/kg，讓研發人員興奮不已。但由于鋰硫電池正極單質硫的電子/離子絕緣性、中間產物多硫化鋰的溶解遷移性、以及金屬鋰的溶解沉積不均勻性等問題，導致鋰硫電池的循環性和安全性都很差。20世紀的研究局限于通過調控溫度和溶解度來提高單質硫的反應活性，難以解決多硫化鋰與金屬鋰的自發反應以及安全隱患，鋰硫電池沒有得到充分發展，人們也因此將工作重心轉移到高溫性能更穩定的鈉硫電池體系以及循環性能更優異的鋰離子電池體系。直到近幾年，在能源危機和環境危機的雙重壓力下，人類社會對高比能電池的需求愈加迫切，鋰硫電池因其潛在的高比能優勢(理論比能量2600Wh/kg)重新獲得了高度關注。美國、日本等發達國家大力支持鋰硫電池儲能技術開發。日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)自2009年起，每年投入300億日元(約合24億人民幣)的研發預算，目標是在2020年使鋰硫電池的能量密度達到500Wh/kg。歐盟在2015年開啟了“地平線2020”研發計劃，計劃投入760萬美元用于電動汽車用鋰硫電池的研發。美國能源部也投入大量的人力物力支持鋰硫電池的開發。同時，國際企業對鋰硫電池的研發在近幾年也取得了重要進展，代表性廠商有美國的Sion Power、Polyplus、Moltech，英國的Oxis及韓國三星等。2010年，Sion Power公司將鋰硫電池(350Wh/kg)與太陽能電池一起應用在無人機上，創造了連續飛 行14天的記錄。Oxis公司在2013年宣稱研制的200Wh/kg鋰硫電池循環壽命可達700次，已經裝配電動車，并計劃于2016年生產使可再生能源能夠穩定輸出的鋰硫電池。對鋰硫電池充電時，陽極處鋰離子被還原成鋰金屬，同時在陰極處硫化鋰物質被氧化形成多硫化物和硫，鋰離子被釋放進入連接陰極與陽極的電解質中。放電時，陽極處鋰金屬被氧化成鋰離子，該鋰離子被釋放進入電解質中，同時在陰極處鋰離子和硫參與還原反應而形成硫化鋰物質。

盡管具有如上優勢，鋰硫電池離實用化還有相當的距離，目前的主要問題包括：(1)負極的鋰金屬與溶解于電解液的多硫化物發生反應，正極側的單質硫則逐漸地生成多硫化物進入電解液，進而與金屬鋰發生反應，最終造成正負極活性物質流失和區域坍塌；(2)在鋰硫電池放電過程中，形成的多硫化物進入電解液后，高度富集的多硫化物致使電解液粘度升高，導致電解液導電性降低，電池性能顯著下降；(3)鋰硫電池體系的工作溫度高達300～400℃，這需要較為昂貴的耐高溫材料和復雜的制備工藝來防止電池燒毀。另外，由于單質硫在室溫下不導電，不能單獨作為正極材料使用，所以在制備鋰硫電池時通常將其與一定量的導電材料混合以提高正極區域導電性，但是過度的混合導電材料，又會使鋰硫電池的比能量顯著降低。最近幾年國內外的相關研究工作頗為活躍，目前正值技術突破的攻堅階段。這類典型的可充電電池包括以金屬鋰作為活性物質、以金屬鋰合金作為活性物質、或以金屬鋰/碳復合物作為活性陽極物質的陽極。這種電池包括含有硫作為活性物質的陰極。