带有层系统的锂-硫-电池阴极技术方案

本发明专利技术涉及一种用于锂-硫-电池的阴极，其包括引流器(1)。为了实现高能量密度、电流率和循环持久性，在引流器(1)上施加阴极层系统(2、3)，该阴极层系统包括至少一个导电层(2)和至少一个含硫层(3)，其中一个或多个导电层(2)电接触引流器(1)。此外，本发明专利技术涉及制造方法、锂-硫-电池以及移动或固定的系统，如车辆或储能设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带有层系统的锂-硫-电池阴极
本专利技术涉及一种用于锂-硫电池的阴极、一种制造方法、锂-硫电池以及移动或固定的系统，如车辆或储能设备。
技术介绍
锂-硫电池组(L1-S电池组)相对于传统的锂离子电池提供了明显更高的能量密度的优点。锂硫系统相对于电化学活性材料供给2600Wh/kg的理论能量密度，这是利用常规锂离子技术可实现的大约580Wh/kg的能量密度的多倍。 锂-硫电池组传统上包括阴极，所述阴极包括引流器(例如金属箔)和施加在引流器上的涂层，其中涂层包括由硫、导电的添加物(大部分为炭黑)和胶合剂构成的混合物。 印刷物US 2002/0192557描述了一种用于制造用于锂-硫电池的阴极的方法，其中硫、导电的添加物(尤其是导电炭黑)和胶合剂被磨成均匀的、粘性的混合物并且利用该粘性的混合物接着对铝箔涂层。
技术实现思路
本专利技术的主题是用于锂-硫-电池的阴极，其包括引流器。在引流器上施加有尤其是多层的阴极层系统，该阴极层系统包括至少一个导电层和至少一个含硫层。一个或多个导电层尤其将接触引流器。 在此，导电层尤其是可以理解为如下层，其包括至少一种导电材料或至少基本上由所述至少一种导电材料构成。 在此，通过导电层电接触引流器既可以理解为在相应的导电层与引流器之间的直接接触，也可以理解为通过一个或多个其他导电层和导电的层区段进行的间接接触，所述导电的层区段布置在相应的导电层与引流器之间并且彼此电接触以及使相应的导电层和引流器电接触。 通过施加不同组分的多个层作为阴极层和在此得到的阴极层的多层结构，一系列不同的功能可被弓丨入到阴极中。 通过一个或多个导电层在此可以确保:在硫与引流器之间必须经过的路径可以短于在硫颗粒和导电颗粒随机分布的情况，这尤其是由于例如在导电颗粒随机分布地布置的情况下并不一定必须存在颗粒彼此间的电接触以及颗粒附加地与引流器的电接触，并且若通常电流在引流器与电化学活性的材料(硫)之间必须经过的路程通常长于在有目的地引入的线路结构的情况则情况如此。这样可以有利地降低内电阻。 由于在电化学活性的材料(硫)与导电的基质之间的接触表面大，所以还可以实现高的电流率。 附加地，可以通过多层结构来改善循环持久性或循环稳定性，也就是说，通过大量的充电循环和放电循环所考察的可用的容量，所述容量在带有传统阴极的锂-硫-电池的情况下大多不足够并且目前阻碍传统锂-硫-电池的技术传播。经改善的循环持久性以及更好的硫利用可以通过多层结构尤其是通过如下方式来实现:例如作为在电池放电时可形成的并且在传统阴极的情况下在电池重复充电时不再电化接触的不可溶的Li2S2和Li2S或者通过可溶的多硫化物的扩散引起的硫的损耗可被层状的结构阻挡，其中所述多硫化物在传统阴极的情况下在不再存在电接触的部位处可扩散。 此外，一个或多个导电层和一个或多个含硫层可以在相应的功能方面予以优化。例如，由于机械稳定性和通过一个或多个导电层对引流器的粘附可以确保，在一个或多个含硫层中省去胶合剂并且因此提高总能量密度。由于一个或多个导电层可以有目的地并且功能优化地构成，可以使其材料最小化并且因此总体改善电化学活性的硫与导电材料之间的材料比例。 通过有目的地针对该目的构成的一个或多个导电层还可以有利地在很大程度上避免导电路径的中断并且由此避免不再电接触的阴极区域的损耗，所述阴极区域在锂-硫-电池的传统阴极中在体积改变的情况下尤其是在循环期间可能出现。 此外，阴极的机械稳定性和导电性可以通过所述一个或多个导电层来提高，这使得能够将引流器更薄地构成并且因此提高总能量密度以及改善引流器和阴极涂层的重量比例。 在一种实施方式的范畴中，阴极层系统包括至少两个导电层和至少两个含硫层。尤其是，导电层和含硫层在此可以交替地构成。 在另一实施方式的范畴中，在引流器上施加阴极层系统的导电层。这使得能够在含硫层中省去胶合剂并且由此提高阴极的能量密度。 在另一实施方式的范畴中,含硫层具有结构化部。 结构化部在此尤其是可以理解为不同层区段的有目的地构成的空间构型。例如在混合物中随机形成的空间布置在此尤其是不被理解为结构化部。 通过有目的的结构化可以有利地产生功能优化的区域，其例如可以用于提供电解质或添加物或用于容纳反应产物。总之，有目的的结构化提供了实现更高的能量密度以及提高电池的循环持久性的可能性。 在该实施方式的一种构型的范畴中，结构化的含硫层包括多个含硫的层区段和至少一个导电的层区段，其中含硫的层区段分别至少部分地被至少一个导电的层区段包围。由此，含硫的层区段可以有利地彼此在空间上分开并且同时分别电接触。 通过缩小在其中存在电化学活性的硫的区域的尺寸，可以缩短导电基质与电绝缘的硫之间的路径并且可以更好地利用硫。此外，短的路径如已阐述的那样提供小的内电阻，其中在硫与导电基质之间的接触部的大表面能够实现高电流率。 在一种特定构型的范畴中，一个或多个结构化的含硫层的含硫的层区段以重复模式构成和/或一个或多个结构化的含硫层的至少一个导电的层区段网状地构成。 在另一特定构型的范畴中，结构化的含硫层的至少一个导电的层区段蜂巢状地构成，其中结构化的含硫层的含硫的层区段分别构成在蜂巢内腔中。 蜂巢状在此不仅可以理解为由蜜蜂蜂巢已知的基本上基于六边形的蜂巢结构，而且其也可以理解为如下蜂巢结构，其基本上基于一个或多个对称的或不对称的其他多边形形状，如三边形、四边形、五边形、七边形、八边形等或它们与六边形的组合。 在另一实施方式的范畴中，至少一个结构化的含硫层布置在两个导电层之间。尤其是，在此这两个导电层可以覆盖或封闭结构化的含硫层的含硫的层区段。尤其是，在此含硫的层区段可以被导电层和结构化的含硫层的导电的层区段包围。在此，不仅可能的是含硫的层区段被导电层和导电的层区段完全包围，而且也可能的是导电层和导电的层区段有目的地具有引入其中的孔或空隙，所述孔或空隙有目的地形成离子运输通道。 通过将电化学硫包含于相应的结构中可以避免在电解质中可溶的多硫化物的扩散开(Wegdiffus1n)。由此，硫也可以作为多硫化物保持在导电基质附近并且在电池充电时再次被氧化，由此硫在后续的放电过程中又可供使用。通过引入有目的的离子运输通道可以实现，在放电时为了电荷均衡所需的锂离子可以扩散进含硫的结构中，但形成的可溶的产物不能从含硫的结构中扩散出去。 在另一实施方式的范畴中，一个或多个导电层和/或一个或多个结构化的含硫层的一个或多个导电的层区段由多孔材料构成。因此可以有利地有目的地实现离子运输通道。 在另一可替选或附加的实施方式的范畴中，所述一个或多个导电层和/或所述一个或多个结构化的含硫层的一个或多个导电的层区段具有有目的地引入的空隙。因此可以有利地有目的地实现离子运输通道。 在另一实施方式的范畴中，所述一个或多个导电层和/或所述一个或多个结构化的含硫层的一个或多个导电的层区段包括金属材料，例如铝。尤其是，导电层和/或导电的层区段可以由此构成。金属材料具有比导电炭黑更低的比电阻，使得可以由此有利地降低内电阻并且提高电流率。 在另一可替选的或附加的实施方式的范畴中，所述一个或多个导电层和/或所述一个或多个结构化的含硫层的一个或多个导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于锂‑硫‑电池的阴极，包括：‑引流器(1)，和‑施加在引流器(1)上的阴极层系统(2、3)，其中阴极层系统(2、3)包括‑至少一个导电层(2)，和‑至少一个含硫层(3)，其中所述至少一个导电层(2)电接触引流器(1)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.14 DE 102011088528.51.用于锂-硫-电池的阴极，包括: -引流器(1)，和 -施加在引流器(1)上的阴极层系统(2、3)， 其中阴极层系统(2、3)包括 -至少一个导电层(2)，和 -至少一个含硫层(3)， 其中所述至少一个导电层(2)电接触引流器(I)。2.根据权利要求1所述的阴极，其中阴极层系统(2、3)包括至少两个导电层(2)和至少两个含硫层(3)，尤其是其中导电层(2)和含硫层(3)交替地构成。3.根据权利要求1或2所述的阴极，其中在引流器(I)上施加阴极层系统(2、3)的导电层⑵。4.根据权利要求1至3之一所述的阴极，其中含硫层(3)具有结构化部，尤其是其中每一个含硫层(3)包括多个含硫的层区段(3a)和至少一个导电的层区段(3b)，其中含硫的层区段(3a)分别被所述至少一个导电的层区段(3b)包围。5.根据权利要求4所述的阴极， 其中结构化的含硫层(3)的含硫的层区段(3a)以重复模式构成，和/或 其中结构化的含硫层(3)的至少一个导电的层区段(3b)网状地构成。6.根据权利要求4或5所述的阴极，其中结构化的含硫层(3)的所述至少一个导电的层区段(3b)蜂巢状地构成，其中结构化的含硫层(3)的含硫的层区段(3a)分别构成在蜂巢内腔中。7.根据权利要求4至6之一所述的阴极，其中至少一个结构化的含硫层(3)布置在两个导电层(2)之间，尤其是其中这两个导电层(2)覆盖含硫的层区段(3a)，尤其是其中含硫的层区段(3a)被导电层(2)和导电的层区段(3b)包围。8.根据权利要求1至7之一所述的阴极，其中导电层(2)和/或结构化的含硫层(3)的导电的层区段(3b)由多孔材料构成，或其中导电层⑵和/或结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：U·哈森科克斯，C·佐尔哈格，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE