锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及一种锂硫电池，包括阳极，包括选自金属锂、锂合金和锂碳的阳极活性物质和阳极集流体；阴极，包括阴极活性物质和阴极集流体，所述阴极活性物质包含至少一种选自硫元素和有机硫化合物的硫基化合物；电解质，包括锂盐和混合有机溶剂；以及隔膜，设于阴极和阳极之间，将电解质分隔为阳极电解质和阴极电解质并且允许锂离子通过；所述阴极活性物质为纳米结构的碳－硫。这种阴极材料能够有效的防止硫的中间反应化合物的损耗，从而提高了锂硫电池的循环寿命和功率密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种锂硫电池，尤其涉及一种高能量密度的锂硫电池。
技术介绍
随着石油的逐渐耗尽，大量汽车及其污染对全球的冲击，为电动设备和汽车提供 安全、廉价、高能量密度和长寿命的可充电电池越来越引起人们的注意。可充电的锂电池在 所有电池中的能量密度最高，已成为现在大部分移动电子产品的能量存储单元。尽管大部 分电子设备仅需要中等的充放电速度，但在一些新的应用中，如混合动力汽车的反馈制动， 能量备份、便携式电动工具同时需要高能量密度和高功率的电池。这一点对于目前的锂电 池还是难以实现的。好的锂电池要求电池材料具有高度可逆的存储锂的能力，快速转移锂 离子和电子的能力。这要求所用的材料具有高的锂离子扩散速度来满足高功率的安全需 要。目前的锂电池以碳作为阳极材料，阴极材料是锂的过渡金属氧化物或者磷酸盐。 一般来说，可充电锂电池的阴极材料的工作原理是它的晶体结构中通过插入锂离子以及 过渡金属离子的还原反应来存储锂离子和电子。在相应的高电位下，锂离子可以在阴极材 料中反复脱出和嵌入。作为局部规整反应，充电存储能力天生就是有限的，在任何可预期 的系统中大概是300mAh/g。目前人们制得的具备好的功率特性的材料，最大的电量密度是 183mAh/g3。而目前商用的阴极材料，LiCoO2大概是140mAh/g，LiMn2O4大概是100mAh/g，而 LiFePO4大概是150mAh/g，这些材料的能量密度与人们的需求相差还比较远。锂-硫可充电电池是最有希望成为未来锂电池的候选者之一。这种锂_硫电池不 同于通常的锂离子电池，它用硫做阴极金属锂做阳极，按照非局部规整反应“同化”模式工 作。在目前已知的可作为一次电池和二次电池的固体化合物阴极材料中，金属锂和硫的理 论电量密度是最高的，分别是3830mAh/g和1670mAh/g。在所有可充电电池中，锂-硫电池 的氧化还原对是能量密度最高者之一。假如电池反应完全生成Li2S,其重量能量密度和体 积能量密度分别达到2，500ffh/kg, 2，800Wh/L6—7。元素硫在地壳中的自然丰度大，具有廉价、 低毒的优点，这对于下一代锂电池是至关重要的。尽管锂硫电池有这些优点，但还有许多挑战需要面对。首先硫是一个高度绝缘的 材料( 5X10_3°S/Cm，25°C)，导致电化学反应不易实现，难以直接用来作为阴极材料。实 际上，硫磺或者含硫的有机物是绝缘材料。为了能够在大电流下具有高的导电特性，绝缘离 子的能力并且具有可逆的电化学反应，硫磺必须与附加的导电体保持紧密接触才能作为阴 极材料使用。为此，现有技术中利用了不同的碳-硫复合物。但受接触面积的限制。目前 报道的电量密度介于300-550mAh/g9。为了获得含硫的阴极离子导体，常常在阴极电解质中 用液体电解质来作为电荷传递媒介体和离子导体。第二，在充放电的过程中形成的多硫化合物中间体的阴离子在极性有机溶剂中 的溶解性很高，这些阴离子可以渗透穿过隔离膜到达阳极并在阳极产生沉淀物(Li2S2和 Li2S),在电池的反复充放电过程中导致电容量的下降。在放电的过程中，固体沉淀物扩大堆积到阴极表面也能导致电化学反应不可逆，进而导致活性物的质量损失。第三，在循环充放电的过程中，锂电极上会逐渐长出枝状结晶，枝状结晶继续生长 延伸，最终穿过电解液到达阴极，可能导致电池的内部短路，这是非常危险的，因此这种电 池的循环充放电寿命只有几次。针对这些挑战，近来在改善电极材料、优化操作过程和选择适宜电解质方面有了 一些进展，比如一些新型的电解液和保护锂阳极的保护膜。相对于电解液的发展，添加剂和 阳极保护的进展更大。而阴极的瓶颈问题仍然存在，由于多硫化合物的可溶性，锂硫电池缺乏突破性进 展。对于硫化物阴极材料，最近也有一些有意义的进展，尽管在实际的电化学表现中尚且不 足。这些进展包括将无序的中孔碳和硫按1 1组成的复合物并结合离子液的优点，得到 很高的初始电量但反复充放电中电量衰减很快。将硫嵌入到导电聚合物中也取得一些有希 望的结果，但极化很大，导致输出电压较低因而降低了电池的能量密度，且硫聚合物的复合 物中活性物质的负载量有限(少于55%)，导电聚合物的表面积很小。但这些锂硫电池的 容量和可重复性还有一些问题需要解决，即使在聚合物中也是一样。有机硫化物和含硫复合物取代单质硫作为阴极材料也有应用。尽管一些有机硫聚 合物，如DMcT (2，5-二巯基-1，3，4-噻重氮)，在功率密度和循环寿命中有比较好的表现，但 它们的电量密度降低特别明显，几乎少于理论电量的40%，即使在比较高的温度下也同样 如此。虽然已有的报道显示碳硫复合物或者导电聚合物_硫复合物在可利用的电量和循环 寿命上没有大的改善。但提醒人们要得到一个好的硫阴极材料，似乎要同时解决硫的电化 学活性和多硫化合物中间体在电解质中的溶解损失。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有高能量密度和高循环寿命的锂硫电池。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是一种锂硫电池，包括阳极，包括选自金 属锂、锂合金和锂碳的阳极活性物质和阳极集流体；阴极，包括阴极活性物质和阴极集 流体，所述阴极活性物质包含至少一种选自硫元素和有机硫化合物的硫基化合物；电解 质，包括电解质锂盐和混合有机溶剂；以及隔膜，设于阴极和阳极之间，将电解质分隔为 阳极电解质和阴极电解质并且允许锂离子通过；所述阴极活性物质为纳米结构的碳-硫 (nanostructured carbon-sulphur)0与现有技术相比，本专利技术通过采用纳米结构的碳-硫为阴极活性物质，使阴极材 料以由纳米尺寸的粒子形成的复合物的形式出现，提高了阴极材料的离子传导性，降低了 离子和电子在电池内部传导的阻力。同时，使用含锂复合物涂层，阴极材料能够有效的防止 硫反应的中间化合物的外流，从而，提高了锂硫电池的循环寿命和功率密度。优选的，纳米结构的碳硫复合物粒子尺寸达到亚微米级，比如几百纳米或者几十 纳米。这样的阴极活性物质的粒子尺寸小于1微米，材料的阻值低，更易于锂离子的通过， 尤其是在大充电/放电速率的情况下，有效解决可充电电池的功率密度低的问题。优选的，所述阴极活性物质上具有锂化合物的涂层。通过以含有半胱氨酸的多肽 为媒介，诱使超离子导体(比如硅酸锂)在阴极表面形成结晶和纳米晶体，由此阻止多硫化 物的溶解，同时仍然能够允许锂离子通过。从而，阴极材料在电池的反应过程中多硫化合物的溶解被抑制，有效提高了锂硫电池的循环寿命。优选的，所述阳极电解质含有N-甲基-N-丙基哌啶。有利于在充放电的过程中阻 止锂电极的枝状结晶的生长，一定程度上避免了发生短路的危险，进一步提高锂硫电池的 循环寿命。优选的，所述阴极电解质含有N-甲基-N-丁基哌啶。从而抑制放电过程中硫阴极 形成的多硫化合物的溶解，避免了电池的反复充放电过程中的容量下降和活性物的质量损 失，提高了锂硫电池的循环寿命。优选的，所述隔膜为锂超离子导体玻璃膜(LISIC0N)。锂超离子导体玻璃膜是一种 离子传导性能好的隔膜，能够使碳硫电池的循环寿命得到有效的提高。优选的，所述的阴极集流体上涂覆有碳纳米管阵列。由于传统的碳结构不规律，作 为电极在多次循环后会发生变性，从而影响电池寿命。碳纳米管阵列使电极整体材料结构 稳定，导电性能好，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂硫电池，包括阳极，包括阳极集流体和选自金属锂、锂合金和锂碳的阳极活性物质；阴极，包括阴极活性物质和阴极集流体，所述阴极活性物质包含至少一种选自硫元素和有机硫化合物的硫基化合物；电解质，包括电解质锂盐和混合有机溶剂；以及隔膜，设于阴极和阳极之间，将电解质分隔为阳极电解质和阴极电解质并且允许锂离子通过；其特征在于，所述阴极活性物质为纳米结构的碳－硫（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｃａｒｂｏｎ－ｓｕｌｐｈｕｒ）。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池，包括阳极，包括阳极集流体和选自金属锂、锂合金和锂碳的阳极活性物质； 阴极，包括阴极活性物质和阴极集流体，所述阴极活性物质包含至少一种选自硫元素 和有机硫化合物的硫基化合物；电解质，包括电解质锂盐和混合有机溶剂；以及隔膜，设于阴极和阳极之间，将电解质分隔为阳极电解质和阴极电解质并且允许锂离 子通过；其特征在于，所述阴极活性物质为纳米结构的碳-硫(nanostructured carbon-sulphur)。2.根据权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于所述纳米结构的碳硫复合物粒子尺 寸达到亚微米级。3.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其特征在于所述阴极活性物质上具有锂化 合物的涂层。4.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其特征在于所述阳极电解质含有N-甲基-N-丙基哌啶。5.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其特征在于所述阴极电解质含有N-甲基-N-丁基哌啶。6.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其特征在于所述隔膜为锂超离子导体玻璃 膜(LISIC0N)。7.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其特征在于所述的阴极集流体上涂覆有碳 纳米管阵列。8.根据权利要求4所述的锂硫电池，其特征在于所述阴极电解质含有N-甲基-N-丁 基哌啶。9.根据权利要求8所述的锂硫电池，其特征在于所述隔膜为锂超离子导体玻璃膜 (LISIC0N)。10.根据权利要求9所述的锂硫电池，其特征在于所述的阴极集流体上涂覆有碳纳米管阵列。11.根据权利要求5所述的锂硫电池，其特征在于所述隔膜为锂超离子导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈璞，高欣，
申请(专利权)人：苏州宝时得电动工具有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]