[發(fā)明專利]固態(tài)鋰硫電池的陰極及其制造方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811325286.5
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN111162242A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發(fā)明（設計）人: M·E·巴丁;靳俊;盧洋;宋真;溫兆銀;修同平
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0565
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張璐

一種鋰硫電池的陰極包含孔隙率在60％至99％范圍內的基于硫的復合物層；以及設置在所述復合物層頂部上以及復合物層的孔內的導電聚合物。另外，一種形成鋰硫電池的陰極的方法包括：提供基材；將基于硫的漿料層設置在基材上；冷凍干燥漿料層以形成孔隙率在60％至99％范圍內的基于硫的復合物層；以及將導電聚合物設置在所述復合物層頂部上以及復合物層的孔內。

背景

1、技術領域

本公開涉及固態(tài)鋰硫(Li-S)電池的陰極及其制造方法。

2、背景技術

鋰硫(Li-S)電池由于比常規(guī)鋰離子電池更便宜、重量更輕，并且對于相同的質量可儲存近兩倍能量，因此是替代常規(guī)鋰離子電池的有利候選物。例如，Li-S電池化學具有高的能量密度(例如2600W·h·kg^-1)和理論比容量(例如1675mA·h·g^-1)、自然豐度高以及對環(huán)境友好。

常規(guī)Li-S技術的一個困難在于元素硫(用作陰極的組分)的電子及離子絕緣性，這要求在陰極中具有大部分的導電添加劑，結果顯著降低了實際容量和適用性。另一個缺陷是在常規(guī)有機電解質的電池放電期間所產生的長鏈聚硫化物的可溶性。由于聚硫化物從陰極遷移到鋰(Li)陽極，因此引發(fā)了不期望的副反應，同時聚硫化物穿梭導致庫侖效率降低及活性陰極材料持續(xù)損失。

本申請公開了用于固態(tài)鋰硫(Li-S)電池應用的得到改進的陰極及其形成方法。

發(fā)明內容

在一些實施方式中，一種鋰硫電池的陰極包含：孔隙率在60％至99％范圍內的基于硫的復合物層；以及設置在所述復合物層頂部上以及復合物層的孔內的導電聚合物。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述復合物層的孔隙率在60％至80％的范圍內。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述復合物層的孔的尺寸在1μm至50μm的范圍內。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述孔的尺寸在2μm至10μm的范圍內。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述復合物層包含以以下中的至少一種存在的碳材料：納米顆粒、納米線、納米纖維、納米棒、納米管、納米球、石墨烯或其組合。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述碳材料以5重量％至40重量％范圍內的量存在。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述復合物層包含在1重量％至20重量％范圍內的金屬碳化物。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述導電聚合物包含以下中的至少一種：碳聚硫化物(carbon polysulfides,CS)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)、聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸(PAA)、聚烯丙基胺鹽酸鹽(PAH)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(P(VdF-共-HFP))、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(二烯丙基二甲基銨)雙(三氟甲磺酰基)酰亞胺(TFSI)(PDDATFSI)或其組合，以及包含以下中的至少一種：雙(三氟甲烷)磺酰亞胺鋰鹽(LiTFSI)、高氯酸鋰、雙(草酸)硼酸鋰(LiBOB)、雙(氟磺酰基)亞胺鋰(LiFSI)或其組合。

在一些實施方式中，一種鋰硫(Li-S)電池包含：鋰陽極；固態(tài)電解質；以及本文公開的陰極。

在可與任意其他方面或實施方式組合的一個方面中，所述Li-S電池被構造成具有至少90％的放電容量保持率。