[發明專利]一種鋰硫電池

在審

• 申請號: 201610042581.4
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105529464A
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 張校剛;徐桂銀;潘瑾;丁兵
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/38;H01M10/052;H01M10/058;H01M4/62;H01M2/16
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李紀昌

技術領域

本申請涉及電化學電池技術領域，尤其涉及一種鋰硫電池。

背景技術

隨著電子科技日益的發展，受限于較低理論比容量的鋰離子電池，其能量密度提升困難，難以滿足日益增長的需求，市場需要高能量密度的新型二次電池。鋰硫電池是以硫單質作為正極，金屬鋰為負極。其高理論比容量（1675mAh·g^-1）來源于其充放電過程中環狀硫八分子中S—S鍵的斷裂和重組，包括了單質硫和鋰離子發生的多次氧化還原反應。鋰硫電池的理論比能量密度高達2600Wh·kg^-1，實際生產中的能量密度也達到了500Wh·kg^-1，遠高于鋰離子電池（150Wh·kg^-1）。此外，鋰硫電池具有原材料來源廣泛，成本低廉，環境友好等優點，被預期為未來市場的主力軍，受到了極大的關注。

鋰硫電池是鋰電池的一種，截止2013年尚處于科研階段。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。比容量高達1675mAh·g^-1，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量（<150mAh·g^-1）。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池。

鋰硫電池以硫為正極反應物質，以鋰為負極。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鋰硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程。根據單位質量的單質硫完全變為S^2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質量比容量為1675mAh·g^-1，同理可得出單質鋰的理論放電質量比容量為3860mAh·g^-1。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V，當硫與鋰完全反應生成硫化鋰（Li₂S）時，相應鋰硫電池的理論放電質量比能量為2600Wh·kg^-1。

鋰硫電池的商業化進程受阻于以下幾個重大缺陷：硫的導電性差；硫正極在放電過程中的中間產物—高階多硫化鋰（Li₂S_n，8≥n≥4）易溶于有機電解液并自發的向負極擴散，與金屬鋰反應，產生“穿梭效應”。傳統鋰硫電池主要使用液態有機醚類電解液作為電解質。醚類電解液具有離子傳導率和化學穩定性高；與金屬鋰相容性好等優點。然而，多硫離子溶于醚類電解液是引起循環性能差的主要原因。室溫離子液體能夠降低多硫化物向鋰負極擴散，顯著提高電池性能，但室溫離子液體合成工藝復雜，成本高昂，難以大規模生產。全固態電解質雖然克服了“穿梭效應”，但依然受限于室溫下低的離子傳導率和電導率。

隨著社會城市化、科技化的發展，人性化理念的普及，及新型和諧社會的構成，設計一種減緩穿梭效應、高性能和使用壽命長的鋰硫電池是很重要的。

發明內容

解決的技術問題：本申請提供一種鋰硫電池，解決現有鋰硫電池產生穿梭反應，多硫離子溶于醚類電解液導致循環性能差、工藝復雜、成本高昂、難以大規模生產和受限于室溫下低的離子傳導率和電導率等技術問題。

本申請采用以下技術方案：

一種鋰硫電池，所述鋰硫電池由涂覆在集流體上的正極材料、隔膜、隔層、電解液和負極材料組成，從左到右依次為正極材料、隔膜、隔層、隔膜和負極材料，電解液在正極材料與負極材料中間，所述正極材料由碳/硫活性材料、導電劑和粘結劑組成，所述碳/硫活性材料為含硫活性材料與碳材料的復合物，其中碳材料為活性炭、介孔碳、石墨烯、碳納米管、炭黑、碳納米纖維或碳球中的一種或多種組合物，所述導電劑是乙炔黑、石墨烯或碳納米管中的一種或多種組合物，粘結劑是聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚環氧乙烯或聚丙烯酸中的一種或多種組合物。所述碳/硫活性材料、導電劑和粘結劑按質量比7:2:1混合，其中碳/硫活性材料中硫含量為70%，隔膜為聚丙烯隔膜，隔層為碳納米管紙或硝酸酸化的碳納米管紙，負極材料為金屬鋰片。

作為本發明的一種優選技術方案：所述碳/硫活性材料為含硫活性材料與碳材料的復合物，其中碳材料為活性炭、介孔碳或碳納米纖維。

作為本發明的一種優選技術方案：所述聚丙烯隔膜為聚丙烯微孔膜，所述聚丙烯微孔膜采用Celgard2400聚丙烯膜。