硫化锂电池及其制造方法技术

本发明专利技术公开了化学电源，其包括由导电材料制成的正极（阴极）、硫化锂和硫的混合物、渗透性的隔板或膜、以及由导电材料或能够可逆地嵌入锂离子的材料制成的负极（阳极），其中在电极之间提供质子惰性电解质，所述电解质含有溶于至少一种溶剂中的至少一种锂盐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电化学动力工程，特别是化学电源(电池)，其包括利用氧化-还原对Li+/Li0的负极(阳极)，利用氧化-还原对S0/S-2的正极(阴极)，以及非水的质子惰性的电解质。本专利技术的实施例也涉及正极去极化剂物质的组成。专利技术背景贯穿本申请中以明确的引用方式提到了不同的专利及公开的专利申请。将本申请中提及的专利及公开的专利申请通过引用的方式并入本专利技术的公开内容以更充分地说明本专利技术所属领域的现有技术。将能被制成用于电池结构的电活性材料称作电极。在电池中所用的一对电极中，在具有更高电化学电势一端的电极被称为正极或阴极，而在具有较低电化学电势一端的电极被称为负极或阳极。本文所述的电池是指化学电源。下文中把用于阴极或正极中的电化学活性材料称为阴极活性材料。把用于阳极或负极中的电化学活性材料称为阳极活性材料。将包括含有处于氧化态的阴极活性材料的阴极和含有处于还原态的阳极活性材料的阳极的化学电源或电池称为处于充电状态。相应地，将包括含有处于还原态的阴极活性材料的阴极和含有处于氧化态的阳极活性材料的阳极的化学电源称为处于放电状态。对于新型的可充电电池的重要要求是具有高比能、长循环寿命、对使用者及环境的安全性以及低成本。最有前途的电化学体系之一是锂-硫体系，其具有高的理论比能(2600Wh/kg)、安全性以及低成本。硫或基于硫的有机物及聚合物被用于锂-硫电池中作为正极去极化剂<br>物质。锂或锂合金被用作负极去极化剂物质。元素硫(美国专利第5,789,108号；美国专利第5,814,420号)，基-->于硫的有机化合物(美国专利第6,090,504号)或含硫的聚合物(美国专利第6,201,100号、美国专利第6,174,621号、美国专利第6,117,590号)通常在锂-硫电池中用作正极的去极化剂。金属锂通常用作负极材料(美国专利第6,706,449号)。有人提出，可以使用能够可逆地嵌入锂的材料来做负电极材料。这些材料包括石墨(D.Aurbach，E.Zinigrad，Y.Cohen，H.Teller；“A short review of failure mechanism of 1ithium metaland lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions”(液态电解质溶液中锂金属及锂化石墨阳极失败机理的简短评述)；Solid State Ionics；2002；vol 148；pp 405-416)以及某些金属的氧化物和硫化物(美国专利第6,319,633号)。然而，本申请在可得到的文献中没有能够发现用于锂-硫电池的嵌入电极的明确实例。必须强调，嵌入电极(正或负)只有以锂化形式存在时才有应用的可能。还有必要考虑到嵌入化合物(含有锂的)化学上很活泼，并且具有与金属锂类似的化学性质。锂-硫电池的一个缺点(限制了其商业化)是由锂电极的低循环效率而导致的中等循环寿命。因此在锂-硫电池中通常提供所需理论量2至10倍的锂以达到较长的循环寿命。为了改善锂电极的循环，有人提出在电极中加入不同的化合物(美国专利第5,962,171号、美国专利第6,632,573号)或在电极表面沉积聚合物保护层(美国专利第5,648,187号、美国专利第5,961,672或)或无机化合物保护层(美国专利第6,797,428号、美国专利第6,733,924号)。保护涂层的使用显著改善了锂电极的循环，但对于很多商业应用来说仍然不能提供足够长的循环寿命。已知石墨嵌入电极具有很好的循环能力(D.Aurbach，E.Zinigrad，Y.Cohen，H.Teller；“A short review of failure mechanism of lithiummetal and lithiated graphite anodes in liquid electrolyte solutions”(液态电解质溶液中锂金属及锂化石墨阳极失败机理的简短评述)；Solid StateIonics；2002；vol 148；pp 405-416)。然而，为了使用这种电极作为负极，必须有锂离子源。在传统的锂离子电池中，锂离子源可以是锂化的钴，镍，锰等过渡金属的氧化物，这些过渡金属用作正极的去极化剂。理论上可以使用硫电极放电的终产物(硫化锂及二硫化锂)作为锂-->离子源。然而，硫化锂及二硫化锂在质子惰性的电解质体系中溶解很少，因此是电化学不活泼的。在锂-硫电池中用硫化锂作正极去极化剂的尝试迄今并不成功(Peled E.，Gorenshtein A.，Segal M.，SternbergY.；“Rechargeable lithium-sulphur battery(extended abstract)”(可充电的锂-硫电池(扩展的摘要))；J.of Power Sources；1989；vol26；pp269-271)。在质子惰性介质中，硫化锂能够与元素硫反应生成多硫化锂，而多硫化锂在大多数已知的质子惰性电解质体系(AES)中都具有很好的溶解度(Shin-Ichi Tobishima，Hideo Yamamoto，Minoru Matsuda，“Studyon the reduction species of sulphur by alkali metals in nonaqueousslovents”(非水溶剂中硫被碱金属还原的产物研究)，ElectrochimicaActa，1997，vol 42，no 6，pp 1019-1029；Rauh R.D.，Sbuker F.S.，MarstonJ.M.，Brummer S.B.，“Formation of lithium polysulphides in aproticmedia”(质子惰性介质中多硫化锂的生成)，J.Inorg.Nucl.Chem.，1977，vol 39，pp 1761-1766；J.Paris，V.Plichon，“Electrochemical reduction ofsulphur in dimethylacetamide”(二甲基乙酰胺中硫的电化学还原)，Electrochemica Acta，1981，vol 26，no 12，pp 1823-1829；Rauh R.D.，Abraham K.M.，Pearson G.F.，Surprenant J.K.，Brummer S.B.，“Alithium/dissolved sulphu本文档来自技高网...

【技术保护点】
化学电源，其包括由导电材料制成的正极（阴极）、硫化锂和硫的混合物、渗透性的隔板或膜、以及由导电材料或能够可逆地嵌入锂离子的材料制成的负极（阳极），其中在所述电极之间提供质子惰性电解质，所述电解质含有溶于至少一种溶剂中的至少一种锂盐。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】GB 2005-3-22 0505790.6;US 2005-3-24 60/664,5921.化学电源，其包括由导电材料制成的正极(阴极)、硫化锂和硫
的混合物、渗透性的隔板或膜、以及由导电材料或能够可逆地嵌入锂
离子的材料制成的负极(阳极)，其中在所述电极之间提供质子惰性电
解质，所述电解质含有溶于至少一种溶剂中的至少一种锂盐。
2.如权利要求1所述的化学电源，其中所述正极为多孔的。
3.如权利要求1所述的化学电源，其中所述正极为非多孔的。
4.如权利要求1、2或3中所述的化学电源，其中所述正极具有
展开的或粗糙的表面。
5.如权利要求1、2或3中所述的化学电源，其中所述正极具有
平滑的表面。
6.如前述任一权利要求所述的化学电源，其中所述正极由碳或石
墨，或者在硫化物介质中耐腐蚀的金属材料，或者半导电的材料制成。
7.如前述任一权利要求所述的化学电源，其中所述渗透性的隔板
或膜由多孔的织造的或非织造的材料制成。
8.如前述任一权利要求所述的化学电源，其中提供悬浮液、胶体
溶液、半固态乳液、软膏或粉末形式的所述硫化锂和硫的混合物。
9.如权利要求8所述的化学电源，其中所述混合物的固含量为5％
至50％。
10.如权利要求8或9所述的化学电源，其中所述混合物中硫化
-->锂的含量为硫含量的10％至99％重量比。
11.如前述任一权利要求所述的化学电源，其中所述质子惰性电
解质含有下列一种或多种物质的溶液：三氟甲烷磺酸锂、高氯酸锂、
双三氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉迪米尔克洛什尼特斯，叶莲娜卡拉塞娃，
申请(专利权)人：奥克斯能源有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[]