[發明專利]一種鋰硫電池用電極及其制備和包含其的鋰硫電池結構

有效

• 申請號: 201611062786.5
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN108123167B
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 勾劍;張華民;張洪章;李先鋒
• 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;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/58;H01M4/52
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種鋰硫電池用電極，電極通過化學原位沉積電極基體使其二側表面均沉積有金屬鎳層，在電極基體內部沉積有金屬鎳，電極表面金屬鎳層厚度0.2μm?4μm；這種電極應用于鋰硫電池中，可明顯提高鋰硫電池性能和能量密度的作用，化學鍍原位沉積技術操作過程簡單，實驗條件溫和，實驗成本較低，具有實現未來工業化大規模生產的巨大潛力。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池領域，特別涉及鋰硫電池柔性電極。

背景技術

近年來，隨著全球能源環境危機的日益嚴重，鋰離子電池已成為各類電子產品比如筆記本電腦、電動自行車等電子設備的首選電源。然而隨著柔性電子學的發展，人們對柔性，可穿戴媒體設備的需求日益增大，比如OLED柔性智能手機，可植入性設備等等，這些高性能便攜式電子設備除了需要具備良好的機械柔韌性外，同樣需求具有良好柔韌性的高性能電池作為電源輸出。鋰離子電池雖然具有工作電壓高、循環壽命長等優點，但是能量密度相對較低，機械性能較差一直是制約其在柔性電池領域發展的主要瓶頸。比如對于鋰離子二次電池，其放電比能量通常在100-200Wh·kg^-1。當其作為電動汽車電源時，其單次充放電只能滿足普通汽車行駛160km，難以滿足美國高級電池聯合會(USABC)提出的單次充放電里程達到500km的要求。

鋰硫電池在眾多二次電池體系中脫穎而出，原因不僅在于其正極活性材料硫價格低廉、環境友好且儲量豐富，同時其與金屬鋰電極結合其實際比能量高于500Wh·kg^-1。因此，鋰硫電池被認為是可替代鋰離子電池的新型二次電池之一，并使柔性鋰硫電池具有良好的應用前景。

然而在鋰硫柔性電池的研發過程中，有許多問題亟待解決。首先鋰硫電池存在的倍率性能差、循環穩定性差、活性物質利用率低等問題嚴重阻礙其商業化進程。其中放電中間產物多硫化鋰的“飛梭效應”是影響鋰硫電池性能發揮的主要原因之一。為了解決多硫化物的“飛梭效應”問題，現有的較為常見的解決方法是以分級多孔碳材料作為活性物質硫的載體，不但因為其較大的孔容和高比表面積可以負載高擔量的活性物質硫，而且對放電產物多硫化物具有較好的物理吸附作用，從而減緩多硫化物的飛梭效應。這些用作負載硫的碳材料通常包括多孔碳材料、碳納米管納米纖維材料、空心碳材料、石墨烯材料以及相互復合的碳材料等，但其因碳材料本身的非極性特性，對多硫化物的吸附力較弱，因而對于減緩多硫化物的“飛梭效應”的效果并不十分明顯。

其次在鋰硫電池柔性電極制備方面，通常電極漿料包括活性物質、粘結劑、和導電劑，而為了提高電池的柔韌性能和機械性能，其中粘結劑的比例會大幅提高，從而使電極的電導率下降。這使原本鋰硫電池就存在的因活性物質和放電產物不導電而導致的電極內部電子傳輸網絡不連續、活性物質利用率低的問題變得更加尖銳。同時在制備電極材料的過程中，通常將配制好的電極漿料涂在金屬薄膜上，其厚度通常為25μm左右，這層金屬薄膜作為一種集流體不但占據了一定的電極重量而且在電極材料中只能作為一種非活性物質從而降低了體積和質量能量密度，且在柔性設備中電極材料面臨著在電池彎曲過程中活性物質從這層薄膜上剝落的問題從而影響電池性能。現有的制備柔性電極的方法主要包括使用質量較輕、機械性能良好、導電性能優異的材料比如石墨烯涂層來取代金屬薄膜作為集流體，或者通過在電極漿料中中加入石墨烯和碳納米管等導電劑來提高電極內部的導電性，而這些方法存在的問題首先是造價成本高，工藝較為復雜，其次在電極漿料中加入導電劑石墨烯或碳納米管依然無法解決因粘結劑加入比例過高而導致的電極內部導電網絡的不連續的問題。

“化學鍍”作為一種自催化反應，該方法沉積的涂層具有厚度均勻、沉積速度快等特點。化學鍍技術興起于二戰時期，曾用于為管道內壁做涂層修飾，此后，一系列化學鍍涂層比如Ni-W、Ni-P、Ni-B等開始快速的發展和應用。最近幾十年，化學鍍涂層通常以合金涂層、復合涂層和金屬涂層等形式應用在航空、石油化工、醫療器械等領域，其中95％的工業化學鍍涂層使用的是以Ni-P、Ni-B為基礎的合金涂層，尤其近10年來，Ni-P為基礎的合金涂層和復合涂層更是得到了廣泛的應用。

發明內容：