[發明專利]基于所選擇的硫同素異形體的堿離子硫電池及其制造方法

在審

• 申請號: 201880068796.0
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN111433950A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: S·奧貝爾瓦爾德;W·勞滕施拉格爾;J·勞滕施拉格爾;M·斯拉維克
• 申請（專利權）人: 昂泰克系統公司;S·奧貝爾瓦爾德
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/04;H01M4/1397;H01M4/36;H01M4/583;H01M10/052;H01M10/0562;H01M10/058;C01B17/02;H01M4/02
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 張志楠;龐東成

本發明涉及新一代堿離子硫電池，在所述電池中使用特定的硫同素異形體，尤其是硫的Psi同素異形體作為正極的活性物質。作為負極使用堿金屬或堿土金屬。一種優選的制造方法描述了通過特定形式的靜電紡絲制造Psi硫纖維。進一步優選的制造方法描述了在電池堆生產期間加入液態形式的陽離子源。最后本發明描述了堿離子硫電池的特定的優選的新型實現形式，其在容量和壽命方面具有顯著優點。

在現有技術中，堿金屬硫電池由負電極(負極)和正電極(正極)組成，所述負電極由堿金屬源或堿土金屬源，優選由金屬鋰構成，而所述正電極由熱力學穩定的斜方晶系的硫S₈(＝硫的Alpha-同素異形體)構成。

在現有技術中，硫正極優選以懸浮液/涂覆法(漿料涂覆法)制得。在此，通常在第一步驟(1)中將硫材料磨碎并與導電材料混合。所述導電材料以不同的材料形狀和顆粒結構存在，如尤其是以(a)球狀碳顆粒和金屬氧化物顆粒(無特定取向，也稱作0D結構)存在；(b)一維材料(1D結構)，例如纖維、中空纖維、小棒(小管、小棍)；(c)二維材料(2D結構)，例如石墨和石墨衍生物或不含碳的2D結構，如氮化硼(尤其是六邊形，h-BN)，對所述材料進行熱處理或化學處理以便實現將硫嵌入電極結構中。通常將這些材料在第二步驟(2)中重新磨碎和/或與一種或多種下述物質混合：溶劑、粘結劑、賦形添加劑或變形添加劑以及其它導電材料，從而獲得懸浮液(漿料)，所述懸浮液接下來施涂到集流體箔的兩側。然后，將這些膜干燥、擠壓以及滾軋(壓延)，從而獲得連續的正極復合物膜，通過相應的裁切從所述正極復合物膜得到最終的電極形狀，優選通過沖裁工藝、剝蝕工藝或者激光切割工藝。在此獲得的膜必須具有潔凈的且(基本上)無瑕疵的表面。所述正極-電極隨后被裝配到最終的正極-隔層-負極電池單元中。在此，電極配置一般為單電極。接下來通常還要將電解質注入到成品電池單元中，最后還要將所述電池單元格式化。

因此，在現有技術中，鋰硫電池單元的生產過程由下列步驟中的一個、多個或通常全部組成：生成懸浮液、涂層、干燥電極、壓延、裁切、質量監控、組裝電池單元、注射電解質、格式化。所有這些過程步驟無論是就其本身單獨而言還是就總體而言都是耗時的、難以實施的、容易出錯的并且由此需要生產工藝的容錯性。這使得所述過程步驟(以及作為結果還有所生產的電池)一方面成本高，另一方面造成電池充電循環數少、充電時間較長、安全性較低以及容量與理論預期相比明顯更低。

現在，針對大部分這些不成熟的設計特點以及容易出錯的過程工藝，本發明提供了開創性的解決方案。本發明還提供了活性正極材料的優越的材料特性。由此得到更低成本的、更安全的且更易于制造的電池類型，所述電池類型具有優越的(更短的)充電時間、更高的運行安全性以及與已知的堿金屬硫電池相比明顯更高的容量。

硫是已知的具有最大數量固態同素異形體的元素(參見例如Steudel R.,EckertB.,Solid Sulfur Allotropesin:Steudel R.(Hrsg.)Elemental Sulfur and Sulfur-Rich Compounds I.,Topics in Current Chemistry 2003,第230卷.,第1-79頁,Springer,Berlin,Heidelberg)。盡管如此，迄今為止所有電池的研究和開發僅僅涉及斜方晶系的Alpha(α)硫(S₈)，也就是最常出現形式的硫。硫(硒和碲也是同樣)經歷壓力造成的連續的結構上的相轉變以及從絕緣體到導體的過渡。

在此請求保護利用這種相轉變來生產優越的電池類型。