[發(fā)明專利]一種采用預(yù)鋰化的碳族材料做負(fù)極的鋰硫電池及制備方法

有效

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• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN108123101B
• 公開（公告）日: 2020-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳劍;徐磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393;H01M4/1395;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/052;H01M10/0567;H01M10/058;H01M10/42
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明公開了一種使用預(yù)鋰化的碳族材料作為負(fù)極的鋰硫電池。針對鋰硫電池中金屬鋰負(fù)極存在的鋰枝晶生長問題、高活性問題，現(xiàn)設(shè)計合理的負(fù)極結(jié)構(gòu)，并通過短路預(yù)鋰的方法將碳族材料預(yù)鋰化后作為鋰硫電池的負(fù)極，此外配合電解液中的添加劑，在負(fù)極材料表面形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)薄膜。該負(fù)極結(jié)構(gòu)及預(yù)鋰化方法具有工藝簡單，可操作性強的優(yōu)點。使用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)鋰的碳族材料作為鋰硫電池負(fù)極時，電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性能大大提高，并避免了鋰枝晶生長的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫電池領(lǐng)域，具體是涉及一種使用預(yù)鋰化的碳族材料作為負(fù)極的鋰硫電池。

背景技術(shù)

在當(dāng)今能源危機日益嚴(yán)重的大背景下，發(fā)展綠色能源技術(shù)及器件顯得尤為重要。目前，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、混合動力車等領(lǐng)域，但是鋰離子電池較低的能量密度制約了先進(jìn)便攜式電子設(shè)備和電動車技術(shù)的發(fā)展。在所有由固態(tài)元素組成的二次電池中，鋰硫電池具有最高的能量密度，理論值約2600Wh/kg，實際值可達(dá)600Wh/Kg以上；并且，單質(zhì)硫來源豐富，價格低廉。但是鋰硫電池也面臨很多需要解決的技術(shù)難題，其中金屬鋰負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性較差仍是目前尚未解決的一個技術(shù)難點。首先，金屬鋰在電池充放電時，尤其是大倍率充放電時，由于電流密度不均勻易造成金屬鋰沉積不均勻而生成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路而引發(fā)安全問題；或者生成的鋰枝晶脫離金屬鋰負(fù)極主體，形成“死鋰”，造成電池循環(huán)性能嚴(yán)重下降。其次是金屬鋰化學(xué)性質(zhì)活潑，易與聚硫陰離子發(fā)生副反應(yīng)而生成硫化鋰，消耗金屬鋰，造成電池循環(huán)穩(wěn)定性下降。再者，金屬鋰的熔點較低，當(dāng)電池出現(xiàn)熱失控時，易引發(fā)電池燃燒。因而，對金屬鋰負(fù)極進(jìn)行保護(hù)或者使用預(yù)鋰化的活性儲鋰物質(zhì)作為負(fù)極材料，是解決鋰硫電池循環(huán)性能和安全性能問題的重要手段。

碳族元素及由碳族元素組成的復(fù)合物具有優(yōu)良的儲鋰性能，且嵌鋰電勢較低，是電池負(fù)極的理想材料。石墨類碳負(fù)極材料的理論比容量為372mAh/g，這一類材料的嵌鋰方式為層間嵌鋰，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，安全性能高，是目前絕大多數(shù)商品鋰離子電池的負(fù)極材料。硅與金屬鋰可生成合金Li₂₂Si₅，硅的理論儲鋰容量為4200mAh/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它的負(fù)極材料。但是硅負(fù)極材料在電化學(xué)嵌鋰或脫鋰過程中，體積會發(fā)生300％的變化，引起硅負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)坍塌而失效。金屬鍺的理論容量為1600mAh/g，且具有較高的電導(dǎo)率和鋰離子遷移率，鍺雖然有更高的機械強度和晶胞體積，但是鍺與硅一樣，嵌鋰后的體積變化仍達(dá)到300％。錫可以與金屬鋰發(fā)生合金化反應(yīng)，理論比容量為990mAh/g。當(dāng)二者合金化過程中，也伴隨著巨大的體積變化，造成材料結(jié)構(gòu)的破壞。雖然碳族單質(zhì)元素作為儲鋰材料有著自身的局限性，但是開發(fā)納米尺寸的活性顆粒，或制備活性物質(zhì)之間，活性物質(zhì)與非活性物質(zhì)之間的復(fù)合物是改進(jìn)材料性能的重要手段。