用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法技术

用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法。一种锂硫电池，包括：基底、设置于基底上的复合正极、设置于复合正极上的固态电解质、设置在固态电解质上的锂负极。其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。

【技术实现步骤摘要】
用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法
本专利技术涉及固态锂硫(Li-S)电池的复合正极及其制备方法。
技术介绍
锂硫电池是替代传统锂离子电池的理想选择，因为其具有高能量、低成本和可规模化生产等优点。锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，其正极活性物质硫具有1675mAh/g的理论比容量，而且储量非常丰富且无环境污染。尽管有上述优点，但是采用有机液体电解质的常规锂硫电池循环寿命较短，主要是因为在电池循环过程中，可溶性的多硫化物会溶解到电解液中，从而形成“穿梭效应”以及造成锂枝晶的生长。也就是说，在采用了有机电解液的锂硫电池体系中，电池放电过程中形成的长链多硫化物会溶解到电解液中，造成很多不希望发生的副反应，降低了电池的库伦效率，也导致正极活性物质的持续损失。另一方面，正极活性物质硫对于电子和离子都是绝缘的，因此需要在复合正极中加入大量的导电添加剂，从而显著降低了电池的实际容量(例如能量密度)和实用性。本专利公开了一种用于固态锂硫电池的改进复合正极及其制备方法。
技术实现思路
在某些实施例中，一个锂硫电池包括：一片基底、设置在基底上的复合正极、设置在复合正极上的固态电解质以及设置在固态电解质上的金属锂负极，其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，电池还包括设置在复合正极上的涂覆层，其中涂覆层包含N-C-Co复合物。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，涂覆层还包括聚环氧乙烷(PEO)和LiTFSI、LiTf、LiBETI中的至少一个。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，固态电解质包含以下物质中的至少一种：Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)、Li10GeP2S12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3、Li0.55La0.35TiO3、相互交联的聚丙烯酸乙酯(ipn-PEA)电解质的聚合物网络、三维的陶瓷/聚合物网络、原位塑化的聚合物、具有排列良好的陶瓷纳米线的复合聚合物、PEO基固态电解质、柔性聚合物、聚离子液体、原位形成的Li3PS4、或其组合。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包括以下物质中的至少一种：Li10GeP2S12、β-Li3PS4、Li9.6P3S12、Li3PS4、Li7P3S11。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包含一种x(Li2S)–y(P2S5)电解质材料，其中x和y都大于1。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，导电碳包括纳米颗粒、纳米线、纳米纤维、纳米棒、纳米管、纳米球、石墨烯、炭黑或其组合。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，离子液体包括以下物质中的至少一种：PY14FSI、PY14TFSI、P13TFSI、P14TFSI、PYR13TFSI、PP14TFSI或其组合。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，复合正极的浆料具有至少3000cP的粘度。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，如本文所公开的电池被配置为表现出以下参数中的至少一个：阻抗低于130Ω·cm2、至少1.6mAh/cm2的可逆容量、电池循环时间至少为250小时、或在前10个循环中至少有2mAh的放电容量。在一些实施例中，锂硫电池包括设置于基底上的复合正极，其中复合正极包括活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包括以下物质中的至少一种：Li10GeP2S12、β-Li3PS4、Li9.6P3S12、Li3PS4、Li7P3S11。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，硫化物电解质包含一种x(Li2S)–y(P2S5)电解质材料，其中x和y都大于1。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，导电碳包括纳米颗粒、纳米线、纳米纤维、纳米棒、纳米管、纳米球、石墨烯、炭黑或其组合。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，离子液体包括以下物质中的至少一种：PY14FSI、PY14TFSI、P13TFSI、P14TFSI、PYR13TFSI、PP14TFSI或其组合。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，复合正极的浆料具有至少3000cP的粘度。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，如本文所公开的电池被配置为表现出以下参数中的至少一个：阻抗低于130Ω·cm2、至少1.6mAh/cm2的可逆容量、电池循环时间至少为250小时、或在前10个循环中至少有2mAh的放电容量。在一些实施例中，制备用于锂硫电池的复合正极的方法包括：由Li2S和P2S5合成硫化物电解质粉体、制备包含炭黑和至少一种碳纳米结构的活性元素硫/导电碳粉体、将硫化物电解质粉体与上述的活性元素硫/导电碳粉体制备混合粉体、向混合粉体中加入离子液体，形成粘度大于3000cP的复合正极浆料。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，混合粉体中硫化物电解质粉体与活性元素硫/导电碳粉体的重量比在5:2到5:5的范围内。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，该方法还包括第二种导电碳。在可与其他任何方面或实施方案组合的一个方面中，离子液体的质量与所述硫化物电解质粉体、活性元素硫/导电碳粉体、第二种导电碳的总质量的重量比为2:1至4:1。附图说明通过以下对于附图的详细描述，我们将更全面地理解本专利，其中：图1展示了一些实施例中固态锂硫电池的结构及其复合正极(放大部分)的构成。图2展示了一些实施例中的经过热处理的Li7P3S11硫化物电解质的拉曼光谱。图3展示了一些实施例中涂覆在氧化物陶瓷表面的复合正极的数码照片。图4展示了一些实施例中的复合正极的扫描电子显微镜(SEM)图像。图5展示了一些实施例中Li-Au/LLZTO界面的横截面的SEM图像。图6展示了一些实施例中基于复合正极的锂硫全电池的电化学阻抗谱(EIS)图。图7展示了一些实施例中的全电池在60℃下工作并且电流密度为0.134mA/cm2时的电压-时间曲线。图8展示了一些实施例中的全电池在60℃下工作并且电流密度为0.134mA/cm2时的循环性能。图9展示了一些实施例中基于复合正极和LLZTO陶瓷电解质的完整电池的示意图。具体实施方式现在将详细参考附图中所示的示例性实施例。只要有可能，在所有附图中将使用相同的参考数字来表示相同或相似的部分。附图中的组件不一定按比例绘制，重点是放在说明示例性实施例的原理上。应当理解的是，本申请不限于说明书中阐述的或附图中示出的细节或方法。还应该理解的是，术语仅用于描述的目的，不应视为限制。另外，本说明书中阐述的任何示例都是说明性的，而不是限制性的，并且仅阐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池，包括：/n一个基底；/n一个设置在基底上的复合正极；/n一个设置在复合正极上的固态电解质；/n一个设置在固态电解质上的锂负极，/n其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池，包括：
一个基底；
一个设置在基底上的复合正极；
一个设置在复合正极上的固态电解质；
一个设置在固态电解质上的锂负极，
其中复合正极包括：活性元素硫、导电碳、硫化物电解质和离子液体。


2.如权利要求1所述的电池，还包括：
一个设置在复合正极上的涂覆层；
其中，涂覆层包含N-C-Co复合材料。


3.如权利要求2所述的电池，其中的涂覆层所述涂覆层还包括：聚环氧乙烷以及LiTFSI、LiTf、LiBETI中的一种。


4.权利要求1所述的电池，其中固态电解质包括Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)、Li10GeP2S12、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3、Li0.55La0.35TiO3、相互交联的聚丙烯酸乙酯(ipn-PEA)电解质的聚合物网络、三维的陶瓷/聚合物网络、原位塑化的聚合物、具有排列良好的陶瓷纳米线的复合聚合物、PEO基固态电解质、柔性聚合物、聚离子液体、原位形成的Li3PS4中的其中一种或其组合。


5.权利要求1所述的电池，其中硫化物电解质包括以下材料中的至少一种：Li10GeP2S12、β-Li3PS4、Li9.6P3S12、Li3PS4、Li7P3S11。


6.权利要求1所述的电池，其中硫化物电解质包括一种x(Li2S)–y(P2S5)电解质材料，其中x和y大于1。


7.权利要求1所述的电池，其中导电碳包括：纳米颗粒、纳米线、纳米纤维、纳米棒、纳米管、纳米球、石墨烯、炭黑或其组合。


8.权利要求1所述的电池，其中离子液体包括以下至少一种：PY14FSI、PY14TFSI、P13TFSI、P14TFSI、PYR13TFSI、PP14TFSI或其组合。


9.权利要求1所述的电池，其复合正极浆料的粘度至少为3000cP。


10.权利要求1所述的电池，展示以下参数中的至少一个：
阻抗小于130Ω·cm2；
可逆容量至少1.6mA/cm2；

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·巴丁，靳俊，宋真，王庆，温兆银，修同平，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：美国;US