[發明專利]非電鍍金屬/硫納米復合材料的制作方法、使用該材料的陰極、及使用該陰極的電池

在審

• 申請號: 202110493602.5
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN115084492A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 鐘升恒
• 申請（專利權）人: 鐘升恒
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M4/13;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;洪欣

本發明提供一種非電鍍金屬/硫納米復合材料的制作方法、使用該納米復合材料的非電鍍金屬/硫陰極、及使用該陰極的電池。該納米復合材料是在絕緣的硫粉表層鍍上金屬導電納米顆粒層以提高導電性、借由金屬催化性增強電化學反應動力學、借由金屬活性進行液態多硫化物的物理及化學吸附，使電池展現高電化學利用率及穩定循環充放電效能。該納米復合材料可實現高硫含量、高金屬含量；該陰極可實現14mg/cm²的高硫載量、寡電解液用量7μL/mg；使用該陰極的鋰硫電池可達高電容量1,008mA·h/g、能量密度高達13～28mW·h/cm²，且可在大范圍循環速率(C/20～C/2)內穩定循環200周仍保持可逆的高電容量。

【技術領域】

本發明是關于一種非電鍍金屬/硫納米復合材料的制作方法、使用該納米復合材料的非電鍍金屬/硫陰極、及使用該陰極的電池。

【背景技術】

低成本且高豐富度的硫元素具有固態電極中最高理論電量，因此為目前最廣受期待的次世代鋰電池的高電量陰極新材料。鋰硫電池除了數倍于鋰離子電池的高理論能量密度(可達2,500Wh/kg)之外，其高電量硫陰極不但價格便宜也容易取得，現今已成為學術界與能源工業的新寵。

在能量轉換及儲存領域中，具有電催化活性的金屬電極有助于提高反應動力學及穩定性，因此，亦有將金屬應用于硫陰極進而改善電池的化學性能。然而，現今鋰硫電池系統的發展，仍存在以下問題尚待探討并提出解決方案：

《制作電極時含硫復合材料需添加導電碳及高分子黏結劑》：

首先，高電量硫陰極為一絕緣活性物質，現有技術為解決硫陰極的低電極導電性，多合成為含硫的復合材料，其中大多以碳硫復合材料為研發主體，部分為高分子硫復合材料。碳硫復合材料采用碳材料的高導電性與多孔性以提升硫陰極的電量與穩定性、高分子硫復合材料以聚合物對于硫的吸附性提升電極的電化學安定性。然而，各類含硫復合材料均需要再與額外導電碳及高分子黏結劑混合制作陰極(參照【專利文獻1】、【專利文獻2】)。其中，添加額外的導電碳是為了提升陰極導電性、添加屬于非活性物質的黏結劑是為了使活性物質與導電碳能均勻地混合與連結。根據【非專利文獻1】～【非專利文獻3】所記載，制作陰極時添加黏結劑的缺點包含增加陰極電阻值、降低活性物質含量、及需使用致癌/致突變、且具生殖毒性的N-甲基吡咯烷酮。

《陰極低硫含量的限制》：

實現高能量密度電池的第一要素，是必須提高陰極中活性物質(硫)的含量，然而由于硫的高絕緣性、以及尚需添加導電碳、黏結劑的關系(參照【非專利文獻1】、【非專利文獻2】)，鋰硫電池目前多限于低硫含量(僅30～60wt％)。此情形下，一則難以實現硫陰極的高能量密度優勢，二則遜于顯示硫陰極的真實電化學反應特性，引起錯誤研究結果并拖延技術的商轉應用。

《高硫載量陰極制作不易》：

由于硫的高絕緣性，當欲實現高能量密度時，若將硫負載量從通常的低硫附載量2.0mg/cm²，增加至超過5mg/cm²以上高硫負載時，具有高負載的硫陰極將具有大量絕緣硫物質，會增加陰極的電阻并破壞反應動力學。并且，高硫負載陰極具有大量的多硫化物參與電池反應，會進一步破壞電池的穩定性。因此，多數電池研究均止步于高硫負載陰極，留下學術研究與實際商用間巨大瓶頸。

《高電解液與硫重量的比例》：