基于有机硫物种的电池制造技术

制备了金属-硫电池，如锂-硫电池，其制备使用一种或多种有机硫物种如有机多硫化物和有机多硫醇盐作为液体或凝胶电解质溶液的一部分，作为阴极的一部分，和/或作为提供中间隔板元件的官能化的多孔聚合物的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】制备了金属-硫电池，如锂-硫电池，其制备使用一种或多种有机硫物种如有机多硫化物和有机多硫醇盐作为液体或凝胶电解质溶液的一部分，作为阴极的一部分，和/或作为提供中间隔板元件的官能化的多孔聚合物的一部分。【专利说明】基于有机硫物种的电池 专利
本专利技术涉及以下电池，这些电池具有基于钠、锂或其混合物或者钠和/或锂与一 种或多种其他金属的合金或复合材料的阳极，与基于元素硫、硒或元素硫属元素混合物的 阴极，该阳极和阴极被隔板元件分隔，导电盐溶于非水的极性非质子溶剂或聚合物中的液 体或凝胶电解质溶液与电极接触。 专利技术背景 电化学电池是用于存储和提供电能的主要手段。由于电子，运输和网格存储应用 对能源的需求不断增加，在未来对具有更强蓄电和传递能力的电池的需求将继续保持。 由于与其他类型的电池相比，锂离子电池重量轻和高能量存储能力，自20世纪90 年代初锂离子电池已被广泛用于便携式电子应用。然而，目前的锂离子电池技术并不能 满足大型应用，如网格存储或行驶距离可与内燃机汽车竞争的电动汽车的高功率和能源需 求。因此，科学和技术界广泛努力继续识别具有更高能量密度和容量的电池。 钠-硫和锂-硫电化学电池提供甚至比锂离子电池更高的理论能量容量，并且因 此继续作为"下一代"电池系统而引起关注。元素硫到单体硫化物（S 2〇的电化学转变提供 1675mAh/g的理论容量，相比锂离子电池的小于300mAh/g。 钠-硫电池已经开发和推出作为商用系统。不幸的是，钠-硫电池通常需要高温 (300°C以上）来工作，并且因此只适合用于大型固定应用。 锂-硫电化学电池（最初在20世纪50年代后期和60年代提出的）现在正在开发 作为商业电池系统。这些电池提供的理论比能量密度超过2500Wh/kg(2800Wh/L)相对于锂 离子的624Wh/g。Li-S电池所表现出的比能量密度是在250Wh/kg-350Wh/kg的范围内（相 比锂离子电池的l〇〇Wh/g)，较低的数值是在充电和放电过程中这些系统的电化学过程的特 定功能的结果。考虑到锂离子电池的实际比能通常是理论值的25%至35%，Li-S系统的 最佳实际比能为约780Wh/g(理论值的30% )。 锂-硫化学提供了阻碍这些电化学电池发展的大量技术挑战，特别是不良的放 电-充电循环性能。然而，由于锂-硫电池固有的低重量、低成本和高容量，对于改善锂-硫 系统的性能存在极大的兴趣，在过去20年中世界各地许多研究人员进行了大量的工作来 解决这些问题。，第 14 章，第 811-840 页（2011) ;V.S.Kolosnitsyn 等人，J.Power Sources2011，196, 1478-82 ;和其参考文献。] 锂-硫系统的电池设计通常包括： ?一个阳极，其组成为锂金属、锂合金或含有锂的复合材料。 ?在该阳极和阴极之间的一个非反应性但多孔的隔板（通常是聚丙烯或β_氧化 铝）。此隔板的存在导致分隔的阳极电解质液隔室和阴极电解质液隔室。 ?并入粘合剂（常为聚偏二氟乙烯）和导电增强材料（通常是石墨、中孔石墨、多 壁碳纳米管、石墨烯）中的一种多孔含硫阴极， ?-种电解质，其组成为一种极性非质子溶剂和一种或多种导电Li盐 。在这些电池中所用的溶剂包括碱 性（阳离子络合）非质子极性溶剂，如环丁砜、二甲亚砜、二甲基乙酰胺、四甲基脲、N-甲基 吡咯烷酮、四乙基磺酰胺、四氢呋喃、甲基-THF、1，3-二氧戊环、二甘醇二甲醚和四乙二醇 二甲醚。低极性溶剂是不适合的，由于其导电性差、溶剂化Li+物种能力差，而质子溶剂与 Li金属发生反应。在锂-硫电池的固态形式中，该液体溶剂被聚合材料如聚环氧乙烷所取 代。 ?通用的集电器和适当的外壳材料。 专利技术概述 在金属-硫电池，特别是锂-硫电池中使用的有机多硫化物和有机多硫醇盐的组 合物和应用由本专利技术所提供。该有机多硫化物和有机多硫醇盐物种用于改善此电化学电池 在反复充放电循环过程中的性能。 本专利技术因此涉及化学能源，该化学能源包括具有一个或多个正极（阴极），一个或 多个负极（阳极）和一种电解质介质的电池或蓄电池（battery)，其中进行的化学反应涉及 硫或多硫化物物种的还原以及反应性金属物种的氧化。负极包括反应性金属，如锂、钠、钾 或这些金属与其他材料的合金/复合材料。正极包括硫、有机多硫化物物种，和/或有机多 硫化物金属盐，以及含有这些物种的基质。电解质基质包括有机溶剂或聚合物、无机或有机 多硫化物物种、活性金属的离子形式的载体和旨在优化电化学性能的其他组分的混合物。 具体而言，本专利技术涉及有机多硫化物，和其锂（或钠、季铵或季鱗）有机硫醇盐或 有机多硫醇盐类似物作为在阴极和电解质基质中的组分的用途。所述有机硫物种与硫及阴 离子型的单硫化物或多硫化物物种化学结合形成有机多硫醇盐物种，这些物种具有增加的 与正极材料和阴极电解质液相的非极性硫组分的亲和性。 本专利技术的一个方面提供了一种电池，该电池包括： a) -个阳极，其包括一种阳极活性材料，该阳极活性材料包括钠、锂或者至少一种 钠或锂与至少一种提供离子的其他金属的合金或复合材料； b) -个阴极，其包括一种阴极活性材料，该阴极活性材料包括元素硫、元素硒或元 素硫属元素的混合物；以及 c)放置在该阳极和该阴极之间的一种中间隔板元件，该隔板元件用于分离与该阳 极和该阴极接触的液体或凝胶电解质溶液，在该电池的充电和放电循环过程中在该阳极和 该阴极之间的金属离子和抗衡离子通过该隔板元件移动； 其中该液体或凝胶电解质溶液包括一种非水的极性非质子溶剂或聚合物以及一 种导电盐并且满足条件（i)、（ii)或（iii)中的至少一个： (i)该液体或凝胶电解质溶液中的至少一种另外包括至少一种有机硫物种； (ii)该阴极另外包括至少一种有机硫物种； (iii)该中间隔板元件包括一种含有至少一种有机硫物种的官能化的多孔聚合 物； 其中该有机硫物种包括至少一个有机部分和至少一个-S_Sn-键，其中η是1或 更大的整数。 在一个实施例中，条件（i)、（ii)或（iii)只有一个得到满足。在另一个实施例 中，所有三个条件都得到满足。在又一实施例中，只有两个条件得到满足，例如（i)和（ii)、 (i)和（iii)或（ii)和（iii)。 在另一个方面，本专利技术提供了一种电解质，其包括至少一种非水的极性非质子溶 剂或聚合物，至少一种导电盐和至少一种有机硫物种，该至少一种有机硫物种包括至少一 个有机部分以及至少一个-S_S n-键，其中η是1或更大的整数。 本专利技术的另一个方面提供了一种阴极，其包括：a)元素硫、元素硒或元素硫属元 素的混合物，b)至少一种导电添加剂，c)以及至少一种有机硫物种，该有机硫物种包括至 少一个有机部分和至少一个-S_S n-键，η是1或更大的整数。 例如，有机硫物种可以选自有机多硫化物和/或有机多硫醇金属盐组成的组中。 在本专利技术的某些实施例中，该有机硫物种含有选自下组的一种或多种含硫官能团，该组由 以下各项组成：二硫缩醛、二硫缩酮、三硫代原碳酸酯、硫代磺酸根、硫代亚磺 酸根、硫代羧酸根、二硫代羧酸根、硫代磷酸酯、硫代膦 酸酯、一硫代碳酸酯、二硫代碳酸酯和三硫代碳酸酯。在其他实施例中，该有机硫物种可以 选自由芳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池，包括：a)一个阳极，其包括一种阳极活性材料，该阳极活性材料包括钠、锂或至少一种钠或锂与至少一种提供离子的其他金属的合金或复合材料；b)一个阴极，其包括一种阴极活性材料，该阴极活性材料包括元素硫、元素硒或元素硫属元素的混合物；以及c)放置在该阳极和该阴极之间的一个中间隔板元件，用于分离与该阳极和该阴极接触的液体或凝胶电解质溶液，在电池的充电和放电循环过程中在该阳极和该阴极之间的金属离子和其抗衡离子通过该隔板元件移动；其中该液体或凝胶电解质溶液包括一种非水的极性非质子溶剂或聚合物以及一种导电盐，并且满足条件(i)、(ii)或(iii)中的至少一个：(i)该液体或凝胶电解质溶液中的至少一种另外包括至少一种有机硫物种；(ii)该阴极另外包括至少一种有机硫物种；(iii)该中间隔板元件包括一种含有至少一种有机硫物种的官能化的多孔聚合物；其中该有机硫物种包括至少一个有机部分和至少一个‑S‑Sn‑键，其中n是1或更大的整数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·S·史密斯，L·王，
申请(专利权)人：阿科玛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US