[發明專利]鋰硫電池及其組件，以及功能性材料層在鋰硫電池中的應用

有效

• 申請號: 201710342173.5
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107275551B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 唐子龍;李巨;王詩童
• 申請（專利權）人: 清華大學;麻省理工學院
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M4/13;H01M4/134;H01M4/36;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/42
• 代理公司: 北京華進京聯知識產權代理有限公司 11606
• 代理人: 王賽

本發明提供一種鋰硫電池，包括硫基正極；鋰基負極；設置在所述硫基正極與所述鋰基負極之間的隔膜；以及設置在所述硫基正極與所述鋰基負極之間的功能性材料層，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。本發明還提供一種復合隔膜、鋰硫電池電極組件、復合硫基正極、復合鋰基負極及功能性材料層在鋰硫電池中的應用。

技術領域

本發明涉及鋰電池領域，特別涉及鋰硫電池、復合隔膜、鋰硫電池電極組件、復合硫基正極、復合鋰基負極及功能性材料層在鋰硫電池中的應用。

背景技術

隨著新能源汽車行業的飛速發展，開發高能量密度的儲能器件成為了目前研究和發展的重要方向。鋰硫電池以其1675mAh/g的理論比容量和～2500Wh/kg的理論能量密度，成為替代傳統鋰離子電池，實現遠程續航目標(500Wh/kg)的最具發展前景的動力電池體系之一。但是，由于鋰硫電池目前存在循環壽命低和安全穩定性差的問題，使其在實用化道路上仍面臨阻礙。如何高效抑制多硫化鋰的穿梭效應是提升鋰硫電池電化學性能和安全性能的關鍵因素，也是近年來國際研究的熱點。

多硫化鋰的穿梭效應主要是由兩方面所導致，一是熱力學上不可避免的擴散，二是較慢的反應動力學導致多硫化鋰在電解液中的積累。目前，抑制多硫化鋰的穿梭的主要方法是物理阻隔、極性吸附和存儲、促進多硫化鋰轉化，通過包覆硫正極或將硫束縛于納米孔道中來抑制多硫化鋰的穿梭。在硫表面形成保護層或保護網絡雖然可一定程度上阻隔多硫化鋰，但仍很難實現電池的長壽命循環。

已有大量研究將一些過渡金屬氧化物或硫化物涂覆在隔膜上作為功能性材料層來提高鋰硫電池的容量及循環性能。其中一些極性的過渡金屬氧化物或硫化物氧化物，如Fe₂O₃、Co₃O₄、Ti₄O₇、NiO、ZnO、V₂O₃、Cu₂O等可以通過表面極性或者酸性位點來吸附存儲多硫化鋰；另外一些過渡金屬氧化物，如TiO₂、MnO₂、CuO、VO₂還同時具有催化多硫化鋰的作用。此外，由于納米材料可以填充于隔膜的孔隙中，在保證鋰離子的正常通過前提下，也可以從一定程度上起到物理阻隔多硫化鋰的作用。然而，實際應用中經常發現，即使采用上述過渡金屬氧化物，在防止多硫化鋰穿梭方面所達到效果仍然不理想。

發明內容

基于此，為更有效的防止多硫化鋰的穿梭，有必要提供一種鋰硫電池、復合隔膜、鋰硫電池電極組件、復合硫基正極、復合鋰基負極及功能性材料層在鋰硫電池中的應用。

一種鋰硫電池，包括硫基正極；鋰基負極；設置在所述硫基正極與所述鋰基負極之間的隔膜；以及設置在所述硫基正極與所述鋰基負極之間的功能性材料層，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。

一種復合隔膜，所述復合隔膜用于鋰硫電池，其特征在于，所述復合隔膜包括隔膜及設置在所述隔膜至少一個表面的功能性材料層，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。

一種鋰硫電池電極組件，包括相互層疊設置的硫基正極、隔膜及功能性材料層，所述功能性材料層設置在所述硫基正極與所述隔膜之間，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。

一種鋰硫電池電極組件，其特征在于，包括相互層疊設置的鋰基負極、隔膜及功能性材料層，所述功能性材料層設置在所述鋰基負極與所述隔膜之間，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。

一種復合硫基正極，包括相互層疊設置的正極材料層、正極集流體及功能性材料層，所述正極材料層設置在所述功能性材料層與所述正極集流體之間，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。

一種復合鋰基負極，包括相互層疊設置的金屬鋰及功能性材料層，所述功能性材料層的材料包括具有結晶水的過渡金屬氧化物。