【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高性能柔性锂硫电池及其部件，特别是特别适用于在柔性电池中使用的阳极和分隔体。
技术介绍
1、为柔性/可穿戴电子产品供电迫切需要柔性和高性能电池，但目前的柔性锂离子电池具有相对低的能量密度。锂硫电池具有高得多的能量密度,但是柔性锂硫电池的发展仍有巨大的挑战。
2、锂硫(li-s)电池被认为是有前途的替代品，由于其高理论能量密度、低成本和环境友好的硫活性材料的天然丰度，其可胜过目前的锂离子电池(lib)。柔性li-s电池当重复弯曲、折叠或拉伸时必须提供稳定的电化学性能。柔性电芯中的全部部件(包括阴极、阳极、分隔体、电解质和集流体)必须是足以经受住重复机械变形的机械柔性的。此外，需要维持连续的电子/离子通路以防止电芯失效。包括硫与柔性导电主体(包括碳纳米管、石墨烯、碳化聚合物、商购碳纤维和它们的复合材料)的组合的柔性硫阴极是已知的。另外，对于阴极开发了功能中间层以减小多硫化物(ps)的穿梭效应。特别地，官能化的氮化硼纳米片/石墨烯(fbn/g)的薄且选择性中间层显示出降低电荷转移电阻和减轻穿梭问题的巨大潜力。然而，仅改进的柔性阴极不可确保柔性li-s全电芯的良好性能。
3、几乎没有找到关于柔性的锂基阳极的研究报道。与锂金属阳极相关的主要挑战是差的机械柔性，并因此在弯曲和扭曲之后难以恢复。包括起皱、皱折或翘曲的永久变形是由局部挤压引起。另外，li阳极中无限的体积改变和枝晶生长也强烈地影响锂金属阳极的循环寿命。最近，报道了两种策略来制造柔性锂阳极，将锂箔与柔性材料例如导电聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(pe
4、li-s电池的商购分隔体被设计来阻止直接电子传输而不妨碍阳极和阴极之间的li+通过。然而，这些商购分隔体中大的孔不仅允许li+还允许可溶的多硫化物通过，从而导致电芯随时间衰退。改进分隔体的通常策略主要包括用充当过滤体的额外层覆盖分隔体。然而，额外层的厚度和重量将会导致全电芯的总厚度和重量的提高并因此减小重量和体积能量密度。此外，尚未获得这样的分隔体的柔性。
5、因为物联网和柔性/可穿戴电子产品的日益增加的使用，迫切需要具有高能量密度、电化学持续性和轻重量的柔性电源。在各种新的电池体系中，锂硫(li-s)电池被认为是有前途的替代品，由于其高理论能量密度、低成本和环境友好的硫活性材料的天然丰度，其可胜过目前的锂离子电池(lib)。为柔性/可穿戴电子产品供电，迫切需要柔性和高性能电池。
6、为了获得具有优异电化学和机械性能的柔性li-s全电芯，必须确保全部三种部件(阴极、阳极和分隔体)的柔性。
技术实现思路
1、在第一方面，本专利技术提供用于储能装置的分隔体，其中分隔体包含li离子选择渗透材料的一个或多个多孔膜，其中膜的至少一部分的孔与多孔的含硫聚合物结合(association)，其中含硫聚合物的孔比li离子选择渗透材料的孔小至少一个量级。
2、膜中的孔可具有不同的形状和尺寸，而孔直径从>100nm直至约10微米(um)不等。在用多孔硫聚合物填充之后，在一种实施方案中，膜中的原始孔尺寸基本减小至50nm以下。因此，平均孔尺寸减小0.5以上量级(2倍以上)、更优选0.75以上量级(5倍以上)，最优选1以上量级(10倍以上)。
3、在特别优选的实施方案中，含硫聚合物中的孔小于li离子选择渗透材料的多孔膜中的孔约1个量级以上(10以上)。
4、在相关方面，本专利技术提供用于储能装置的分隔体，其中分隔体包含li离子选择渗透材料的一个或多个微孔膜，其中膜的至少一部分的微米孔与纳米多孔的含硫聚合物结合。
5、期望地，含硫聚合物具有熔融点为250℃以上、更优选275℃以上、和最优选280℃以上。优选的含硫聚合物是含硫聚合物。
6、可商购得到的分隔体通常包含平均孔径大于100nm的膜。在本专利技术中，在用含硫聚合物官能化之后，平均孔径为约10nm。
7、合适地，分隔体的膜包含微孔聚合物。合适地，膜包含膜表面积的约20％-约70％的微孔孔隙率。
8、期望地，含硫聚合物选择性渗透锂离子和电解质而不是多硫化物。优选地，纳米多孔的含硫聚合物的孔直径范围为约5nm-约20nm。纳米多孔的含硫聚合物的优选孔隙率范围为膜表面积的10％-30％。
9、在优选实施方案中，膜厚度范围为约10μm-50μm、更优选约20μm-35μm、最优选约25μm-28μm。
10、在如本文限定的分隔体中，含硫聚合物填充膜的至少一部分孔。填充分隔体膜的至少一部分孔减小膜的微孔率，从而更好地阻碍多硫化物通过分隔体，同时仍允许锂离子通过分隔体。更优选地，在官能化之后膜中基本全部的孔填充有含硫聚合物。优选的是，含硫聚合物不存在于膜的表面上或仅以可忽略的量存在于其上以避免分隔体比所需更重和/或更厚。限制含硫聚合物与膜的至少一部分的孔而不是膜表面之间的结合有利地导致用于排除多硫化物而不显著提高分隔体或包括本专利技术分隔体的储能装置的总厚度和总重量的更好的分隔体。这意味着分隔体在阻碍多硫化物通过/穿梭方面比现有技术分隔体更有效，而没有对于向分隔体添加多硫化物过滤层或涂层的现有技术分隔体所观察的减小的重量和体积能量密度。
11、优选地，本专利技术的分隔体具有在25℃下大于6.87ms cm-1的离子传导率。一种举例的分隔体具有在25℃下约6.41ms cm-1的离子传导率。
12、合适地，在制造期间，分隔体膜的微孔填充有含硫聚合物。然后，在膜的微孔中提供的含硫聚合物优选通过相转化方法制成纳米多孔的。发现了利用相转化方法在含硫聚合物中容易产生纳米孔。以这种方式包括含硫聚合物还导致更好的总体热和机械分隔体稳定性。
13、优选地，膜中含硫聚合物的总量为约20重量％以下、更优选10重量％以下。
14、合适地，含硫聚合物的物质负载为约0.20mg/cm-2-约0.4mg/cm-2、更优选约0.10mg/cm-2-约0.2mg/cm-2。
15、最优选地，膜的基本全部的孔填充有多孔的含硫聚合物，但是包括填料聚合物没有提高分隔体的总重量大于约10重量％。优选地，含硫聚合物以约20重量％以下、优选以约15重量％以下、最优选以约10重量％以下存在。
16、在优选实施方案中，膜的材料不同于填充膜的微孔的含硫聚合物。
17、在特别优选的实施方案中，含硫聚合物是官能化或未官能化的芳族聚砜，优选聚芳醚砜(paes)例如聚砜。在一些实施方案中，季铵聚砜聚合物是较不优选的。
18、在一些实施方案中，膜为两个或更多个li离子选择渗透材料的膜的层叠体形式。
19、期望地，含硫聚合物的熔融点为250℃以上、更优选275℃以上本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于储能装置的锂金属阳极，所述锂金属阳极包含柔性导电织物，具有纤维的互连网络，其中每个纤维用一种或多种亲锂材料官能化，由此锂金属可从官能化的纤维之间的间隙或空间插入、储存和去除。
2.权利要求1的锂金属阳极，其中亲锂材料形成具有分层纳米结构的亲锂材料的网络，优选纳米片或纳米薄片形式。
3.权利要求1或权利要求2的锂金属阳极，其中亲锂材料包含MnO2、SnO2、ZnO、Co3O4，优选分层的MnO2纳米片。
4.权利要求1或权利要求2的锂金属阳极，其中锂金属阳极的织物包含由互连的，优选交错或交织的纤维的网络提供的多孔的3D显微组织，和在织物的纤维上由亲锂材料赋予的纳米结构。
5.权利要求1至4中任一项的锂金属阳极，其中织物的电阻率为1.4×10-3Ω·cm。
6.权利要求1至5中任一项的锂金属阳极，其中织物是碳布。
7.权利要求1至6中任一项的锂金属阳极，其中锂金属以约2mg/cm-2-约10mg/cm-2的负载存在。
8.制备用于电化学电芯的锂金属阳极的方法，包括以下步骤：
9.权
10.权利要求8或权利要求9的方法，其中官能化的织物与锂金属结合的步骤包括用锂，优选熔融的锂金属浸渍织物。
...【技术特征摘要】
1.用于储能装置的锂金属阳极，所述锂金属阳极包含柔性导电织物，具有纤维的互连网络，其中每个纤维用一种或多种亲锂材料官能化，由此锂金属可从官能化的纤维之间的间隙或空间插入、储存和去除。
2.权利要求1的锂金属阳极，其中亲锂材料形成具有分层纳米结构的亲锂材料的网络，优选纳米片或纳米薄片形式。
3.权利要求1或权利要求2的锂金属阳极，其中亲锂材料包含mno2、sno2、zno、co3o4，优选分层的mno2纳米片。
4.权利要求1或权利要求2的锂金属阳极，其中锂金属阳极的织物包含由互连的，优选交错或交织的纤维的网络提供的多孔的3d显微组织，和在织物的纤维上由亲锂材料赋予的...
【专利技术属性】
技术研发人员：Y·I·陈，B·余，Y·范，T·陶，
申请(专利权)人：LIS能源有限公司，
类型：发明
国别省市：
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