[發(fā)明專利]一種集流體、電極和隔膜一體化結構和半液態(tài)鋰硫電池

有效

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• 申請日: 2016-02-02
• 公開（公告）號: CN107026269B
• 公開（公告）日: 2019-08-27
• 發(fā)明（設計）人: 李峰;方若翩;趙石永;劉暢;侯鵬翔;裴嵩峰;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/66;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

本發(fā)明公開了一種集流體、電極和隔膜一體化結構和半液態(tài)鋰硫電池，屬于電化學能量儲存的二次電池技術領域。將與多硫化物強相互作用的碳材料與高導電石墨烯均勻混合，通過抽濾或涂覆過程獲得碳層/聚合物復合結構，并以多硫化物電解液作為硫源，將復合結構組裝成集流體電極隔膜一體化結構的半液態(tài)鋰硫電池。復合結構中的聚合物作為隔膜，碳層一方面作為內置導電網絡實現(xiàn)高效電子傳導，實現(xiàn)集流體的功能；另一方面作為電極來擔載活性物質，并抑制多硫離子向負極擴散。本發(fā)明通過碳層/聚合物復合結構，實現(xiàn)集流體電極隔膜一體化設計，可簡化電池制作程序，易實現(xiàn)工業(yè)化應用。

技術領域

本發(fā)明涉及電化學能量儲存的二次電池技術領域，具體涉及一種集流體、電極和隔膜一體化結構，該一體化結構適用于半液態(tài)鋰硫電池。

背景技術

隨著近年來電動汽車與移動電子設備的飛速發(fā)展，鋰離子電池的能量密度已難以滿足需要。鋰硫電池因其高的理論比容量(1675mAh g^-1)和理論能量密度(2600Wh kg^-1)，環(huán)境友好、安全無毒、成本低廉等優(yōu)點，被認為是下一代最具前景的高能量二次電池體系而備受關注。但鋰硫電池也存在很多缺點，硫在室溫下的電子絕緣特性，充放電過程中高達80％的體積膨脹以及硫的放電中間產物多硫化物溶于電解液所引起的“穿梭效應”，都導致目前鋰硫電池比容量發(fā)揮比較低及較差的循環(huán)性能，從而嚴重制約著鋰硫電池的實際應用。

到目前為止，國內外對鋰硫電池研究的主要集中在：文獻1：Zhang Q,Cheng XB,Huang JQ,Peng HJ,Wei F.New Carbon Materials 29:4(2014)；文獻2：Ji XL，Lee KT,Nazar LF.Nature Materials.8:6(2009)；文獻3：W.Li,Q.Zhang,G.Zheng,Z.W.Seh,H.Yao,and Y.Cui,Understanding the Role of Different Conductive Polymers inImproving the Nanostructured Sulfur Cathode Performance,Nano Letters,13,5534-5540(2013)；文獻4：Peng HJ,Huang J Q,Zhao M Q,Zhang Q,Cheng X B,Liu XY,Qian WZ,Wei F.Advanced Functional Materials 24:19(2014)，通過碳納米管、石墨烯、多孔碳、導電聚合物等高導電性材料來對硫材料進行修飾，以達到改善整體的電極導電性和限制多硫化物擴散的目的。碳材料具有優(yōu)異的導電性和豐富的孔結構，通過在電極中引入碳材料可以有效提高硫電極的導電性，同時抑制多硫化物向負極擴散。盡管單質硫和碳都是非極性物質，兩者之間具有較好的親和性，但放電過程中產生的多硫離子為極性物質，與非極性的碳材料相互作用力較弱，會導致多硫化物失去與導電碳骨架的電接觸，從而造成活性物質的不可逆損失。因此如何在提高電極導電性的前提下，提高多硫離子與導電碳骨架的相互作用力，從而提高活性物質利用率是非常重要的。

因此，本發(fā)明提出了利用以高導電石墨烯為導電主體材料，并加入與多硫化物發(fā)生強相互作用的碳材料(如極性的鎳-氮摻雜碳納米片，氧化石墨烯，氮摻雜石墨烯以及氧化還原石墨烯等)，將混合均勻的導電碳材料漿料，通過抽濾或者涂覆的方法得到碳層/聚合物復合結構，并以液態(tài)的多硫化物作為硫源，組裝出集流體電極隔膜一體化的半液態(tài)鋰硫電池，簡化了電池制備程序，并獲得了良好的電化學性能。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種集流體、電極和隔膜一體化結構和半液態(tài)鋰硫電池，在半液態(tài)鋰硫電池中直接使用碳層/聚合物復合結構(一體化結構)作為電極，多硫電解液作為硫源，為硫的電化學反應提供了良好的導電網絡，增強了硫的利用率。

本發(fā)明的技術方案如下：