專利名稱：鋰硫電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰硫電池，尤其涉及一種高能量密度的鋰硫電池。
背景技術(shù)：
隨著石油的逐漸耗盡，大量汽車及其污染對全球的沖擊，為電動設(shè)備和汽車提供 安全、廉價、高能量密度和長壽命的可充電電池越來越引起人們的注意。可充電的鋰電池在 所有電池中的能量密度最高，已成為現(xiàn)在大部分移動電子產(chǎn)品的能量存儲單元。盡管大部 分電子設(shè)備僅需要中等的充放電速度，但在一些新的應(yīng)用中，如混合動力汽車的反饋制動， 能量備份、便攜式電動工具同時需要高能量密度和高功率的電池。這一點對于目前的鋰電 池還是難以實現(xiàn)的。好的鋰電池要求電池材料具有高度可逆的存儲鋰的能力，快速轉(zhuǎn)移鋰 離子和電子的能力。這要求所用的材料具有高的鋰離子擴散速度來滿足高功率的安全需 要。目前的鋰電池以碳作為陽極材料，陰極材料是鋰的過渡金屬氧化物或者磷酸鹽。 一般來說，可充電鋰電池的陰極材料的工作原理是它的晶體結(jié)構(gòu)中通過插入鋰離子以及 過渡金屬離子的還原反應(yīng)來存儲鋰離子和電子。在相應(yīng)的高電位下，鋰離子可以在陰極材 料中反復(fù)脫出和嵌入。作為局部規(guī)整反應(yīng)，充電存儲能力天生就是有限的，在任何可預(yù)期 的系統(tǒng)中大概是300mAh/g。目前人們制得的具備好的功率特性的材料，最大的電量密度是 183mAh/g3。而目前商用的陰極材料，LiCoO2大概是140mAh/g，LiMn2O4大概是100mAh/g，而 LiFePO4大概是150mAh/g，這些材料的能量密度與人們的需求相差還比較遠。鋰-硫可充電電池是最有希望成為未來鋰電池的候選者之一。這種鋰_硫電池不 同于通常的鋰離子電池，它用硫做陰極金屬鋰做陽極，按照非局部規(guī)整反應(yīng)“同化”模式工 作。在目前已知的可作為一次電池和二次電池的固體化合物陰極材料中，金屬鋰和硫的理 論電量密度是最高的，分別是3830mAh/g和1670mAh/g。在所有可充電電池中，鋰-硫電池 的氧化還原對是能量密度最高者之一。假如電池反應(yīng)完全生成Li2S,其重量能量密度和體 積能量密度分別達到2，500ffh/kg, 2，800Wh/L6—7。元素硫在地殼中的自然豐度大，具有廉價、 低毒的優(yōu)點，這對于下一代鋰電池是至關(guān)重要的。盡管鋰硫電池有這些優(yōu)點，但還有許多挑戰(zhàn)需要面對。首先硫是一個高度絕緣的 材料( 5X10_3°S/Cm，25°C)，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不易實現(xiàn)，難以直接用來作為陰極材料。實 際上，硫磺或者含硫的有機物是絕緣材料。為了能夠在大電流下具有高的導(dǎo)電特性，絕緣離 子的能力并且具有可逆的電化學(xué)反應(yīng)，硫磺必須與附加的導(dǎo)電體保持緊密接觸才能作為陰 極材料使用。為此，現(xiàn)有技術(shù)中利用了不同的碳-硫復(fù)合物。但受接觸面積的限制。目前 報道的電量密度介于300-550mAh/g9。為了獲得含硫的陰極離子導(dǎo)體，常常在陰極電解質(zhì)中 用液體電解質(zhì)來作為電荷傳遞媒介體和離子導(dǎo)體。第二，在充放電的過程中形成的多硫化合物中間體的陰離子在極性有機溶劑中 的溶解性很高，這些陰離子可以滲透穿過隔離膜到達陽極并在陽極產(chǎn)生沉淀物(Li2S2和 Li2S),在電池的反復(fù)充放電過程中導(dǎo)致電容量的下降。在放電的過程中，固體沉淀物擴大堆積到陰極表面也能導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)不可逆，進而導(dǎo)致活性物的質(zhì)量損失。第三，在循環(huán)充放電的過程中，鋰電極上會逐漸長出枝狀結(jié)晶，枝狀結(jié)晶繼續(xù)生長 延伸，最終穿過電解液到達陰極，可能導(dǎo)致電池的內(nèi)部短路，這是非常危險的，因此這種電 池的循環(huán)充放電壽命只有幾次。針對這些挑戰(zhàn)，近來在改善電極材料、優(yōu)化操作過程和選擇適宜電解質(zhì)方面有了 一些進展，比如一些新型的電解液和保護鋰陽極的保護膜。相對于電解液的發(fā)展，添加劑和 陽極保護的進展更大。而陰極的瓶頸問題仍然存在，由于多硫化合物的可溶性，鋰硫電池缺乏突破性進 展。對于硫化物陰極材料，最近也有一些有意義的進展，盡管在實際的電化學(xué)表現(xiàn)中尚且不 足。這些進展包括將無序的中孔碳和硫按1 1組成的復(fù)合物并結(jié)合離子液的優(yōu)點，得到 很高的初始電量但反復(fù)充放電中電量衰減很快。將硫嵌入到導(dǎo)電聚合物中也取得一些有希 望的結(jié)果，但極化很大，導(dǎo)致輸出電壓較低因而降低了電池的能量密度，且硫聚合物的復(fù)合 物中活性物質(zhì)的負載量有限(少于55%)，導(dǎo)電聚合物的表面積很小。但這些鋰硫電池的 容量和可重復(fù)性還有一些問題需要解決，即使在聚合物中也是一樣。有機硫化物和含硫復(fù)合物取代單質(zhì)硫作為陰極材料也有應(yīng)用。盡管一些有機硫聚 合物，如DMcT (2，5-二巰基-1，3，4-噻重氮)，在功率密度和循環(huán)壽命中有比較好的表現(xiàn)，但 它們的電量密度降低特別明顯，幾乎少于理論電量的40%，即使在比較高的溫度下也同樣 如此。雖然已有的報道顯示碳硫復(fù)合物或者導(dǎo)電聚合物_硫復(fù)合物在可利用的電量和循環(huán) 壽命上沒有大的改善。但提醒人們要得到一個好的硫陰極材料，似乎要同時解決硫的電化 學(xué)活性和多硫化合物中間體在電解質(zhì)中的溶解損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有高能量密度和高循環(huán)壽命的鋰硫電池。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種鋰硫電池，包括陽極，包括選自金 屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽極活性物質(zhì)和陽極集流體；陰極，包括陰極活性物質(zhì)和陰極集 流體，所述陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機硫化合物的硫基化合物；電解 質(zhì)，包括電解質(zhì)鋰鹽和混合有機溶劑；以及隔膜，設(shè)于陰極和陽極之間，將電解質(zhì)分隔為 陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離子通過；所述陰極活性物質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)的碳-硫 (nanostructured carbon-sulphur)0與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過采用納米結(jié)構(gòu)的碳-硫為陰極活性物質(zhì)，使陰極材 料以由納米尺寸的粒子形成的復(fù)合物的形式出現(xiàn)，提高了陰極材料的離子傳導(dǎo)性，降低了 離子和電子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。同時，使用含鋰復(fù)合物涂層，陰極材料能夠有效的防止 硫反應(yīng)的中間化合物的外流，從而，提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。優(yōu)選的，納米結(jié)構(gòu)的碳硫復(fù)合物粒子尺寸達到亞微米級，比如幾百納米或者幾十 納米。這樣的陰極活性物質(zhì)的粒子尺寸小于1微米，材料的阻值低，更易于鋰離子的通過， 尤其是在大充電/放電速率的情況下，有效解決可充電電池的功率密度低的問題。優(yōu)選的，所述陰極活性物質(zhì)上具有鋰化合物的涂層。通過以含有半胱氨酸的多肽 為媒介，誘使超離子導(dǎo)體(比如硅酸鋰)在陰極表面形成結(jié)晶和納米晶體，由此阻止多硫化 物的溶解，同時仍然能夠允許鋰離子通過。從而，陰極材料在電池的反應(yīng)過程中多硫化合物的溶解被抑制，有效提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。優(yōu)選的，所述陽極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丙基哌啶。有利于在充放電的過程中阻 止鋰電極的枝狀結(jié)晶的生長，一定程度上避免了發(fā)生短路的危險，進一步提高鋰硫電池的 循環(huán)壽命。優(yōu)選的，所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丁基哌啶。從而抑制放電過程中硫陰極 形成的多硫化合物的溶解，避免了電池的反復(fù)充放電過程中的容量下降和活性物的質(zhì)量損 失，提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。優(yōu)選的，所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜(LISIC0N)。鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜是一種 離子傳導(dǎo)性能好的隔膜，能夠使碳硫電池的循環(huán)壽命得到有效的提高。優(yōu)選的，所述的陰極集流體上涂覆有碳納米管陣列。由于傳統(tǒng)的碳結(jié)構(gòu)不規(guī)律，作 為電極在多次循環(huán)后會發(fā)生變性，從而影響電池壽命。碳納米管陣列使電極整體材料結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，電阻值減小了，相應(yīng)的內(nèi)耗也小，因此，鋰硫電池的循環(huán)壽命被延長。優(yōu)選的，所述電解質(zhì)鋰鹽選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、高氯酸鋰 (LiClO4)中的至少一種。優(yōu)選的，所述有機溶劑包含二甲氧基乙烷(DME)，乙烯碳酸脂(EC)，二乙基碳酸脂 (DEC)，丙烯碳酸脂(PC)，1，3-二氧戊烷(DIOX)，乙醚，甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜中的至 少一種。優(yōu)選的，所述有機溶劑包含聚合物凝膠。電解質(zhì)以凝膠的形態(tài)設(shè)置在電池中，有利 于阻止?jié)撛诘碾姵仉娊庖旱臐B漏，避免對環(huán)境造成污染。優(yōu)選的，所述陰極電解質(zhì)含有固體聚合物。這種電解質(zhì)能夠穩(wěn)定陰極材料的放電 性能，提高碳硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。優(yōu)選的，所述陽極包括至少一層金屬鋰的保護膜，比如鋰磷氧氮化合物保護膜。保 護鋰不受周圍環(huán)境的潛在危害，比如防止枝狀結(jié)晶的生長。同時，還能夠傳導(dǎo)鋰離子。本發(fā)明在不影響陰極材料性能的前提下選擇合適的陽極電解液抑制金屬鋰陽極 的枝狀結(jié)晶生長，而來自陰極多硫化合物的溶解問題可通過選擇合適的陰極電解液來抑 制。本發(fā)明中沒有使用堿性溶液，目前鋰離子超級導(dǎo)體玻璃膜在電池的循環(huán)過程的穩(wěn)定性 被提高。


下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步說明。圖1是根據(jù)本發(fā)明的可充電電池的各部分結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是本發(fā)明的一個實施例的電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的另一個實施例的電池的陰極結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的另一個實施例的電池的陽極結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1陽極集流體4隔膜8絕緣環(huán)2陽極活性物質(zhì)5陰極電解質(zhì)9鋰化物涂層2a保護層6陰極活性物質(zhì)10陰極3陽極電解質(zhì)7陰極集流體20陽極
具體實施例方式參見附圖1，本發(fā)明提供了一種具有高能量密度和高循環(huán)壽命的鋰硫電池。鋰硫電 池包括正極，負極，分隔正負極的隔膜，以及其中的電解質(zhì)。本實施例中，鋰硫電池的正極，也就是陰極10，包括陰極集流體7和陰極活性物質(zhì) 6。鋰硫電池的負極，也就是陽極20，包括陽極集流體1和陽極活性物質(zhì)2。從附圖中可以 看到，陰極活性物質(zhì)6和陽極活性物質(zhì)2之間設(shè)有隔膜4，陽極電解質(zhì)3和陰極電解質(zhì)5被 隔膜4分開。從而，電池的充放電過程中產(chǎn)生的離子能夠通過隔膜4傳遞，而電解質(zhì)本身被 分成了陽極電解質(zhì)3和陰極電解質(zhì)5兩部分。鋰硫電池的負極20包括陽極集流體1和陽極活性物質(zhì)2。其中，集流體是本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員所公知的，用于有效的收集產(chǎn)生于陽極的電流并提供有效的電接觸面將電流 引致外部電路。集流體的材料可以基于本發(fā)明從適當?shù)牟牧现腥菀椎倪x擇。比如，陽極集 流體1可以是通常選用的材料，可以包括但不僅限于銅，泡沫銅或者泡沫鎳。陽極活性物質(zhì)2通常為金屬鋰，也可以是鋰碳或者鋰合金。鋰合金包括鋰/鋁合金 或者鋰/錫合金。碳材料包括結(jié)晶碳、無定型碳或者它們的混合物。為了保護金屬鋰不受 周圍環(huán)境的潛在危害，包括枝狀結(jié)晶的生長，本發(fā)明中的陽極活性物質(zhì)2采用了帶有保護 膜的金屬鋰。其中，保護膜可以是在鋰表面形成的鋰磷氧氮化合物界面膜。在此，保護膜可 以允許離子通過，而阻止其他化合物通過從而損害陽極。當然，也可以采用銅作為保護膜， 這樣就不需要形成鋰氮化合物即可形成對金屬鋰的保護。如果采用鋰合金形成金屬鋰的保 護膜，則這種保護膜會使陽極活性物質(zhì)中可以測到除了鋰之外的金屬元素。本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以知道，合金材料并不僅限于上面提到的鋰/鋁合金或者鋰/錫合金。與選擇金屬鋰 作為陽極材料相比，選擇鋰合金作為陽極材料，可以有效的阻止鋰枝狀結(jié)晶的生長，阻礙鋰 陽極被腐蝕，從而提高電池的循環(huán)壽命。鋰硫電池的正極10包括陰極集流體7和陰極活性物質(zhì)6。其中，陰極集流體可以 包括但不僅限于鋁。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，陰極集流體的材料還可以是鎳或者其它的 金屬。為了增加與陰極活性物質(zhì)的接觸，陰極集流體的材料可以選用具有碳涂層的鋁。與 單純的鋁集流體相比，碳涂覆的鋁集流體具有良好的粘接特性，較低的接觸電阻，并且可以 抑制多硫化物的腐蝕。優(yōu)選的，也可以選用涂覆碳納米管陣列的鋁。由于傳統(tǒng)的碳結(jié)構(gòu)不 規(guī)律，作為電極在多次循環(huán)后會發(fā)生變性，從而影響電池壽命。碳納米管陣列由多壁碳納米 管組成，沒有無定型碳。電化學(xué)測試表明，碳納米管陣列具有較大的電容和較快的電子傳輸 速率。碳納米管陣列使電極整體材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，電阻值減小了，相應(yīng)的內(nèi)耗也 小，因此，陰極集流體上涂覆有碳納米管陣列的鋰硫電池的循環(huán)壽命被延長。鋰硫電池放電時，在陰極，硫被還原，形成多硫化物。已知的多硫化物常以溶解狀 態(tài)而硫化物以沉淀狀態(tài)存在于電極中。陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機硫化 合物的硫基化合物。本發(fā)明中，選擇碳硫復(fù)合物或者納米結(jié)構(gòu)的碳硫作為陰極活性物質(zhì)。納 米結(jié)構(gòu)的碳硫是多孔材料，包括能夠嵌入硫的納米孔陣列。這種材料可以防止硫元素在充 放電過程中產(chǎn)生的中間化合物的外流，改善鋰硫電池的循環(huán)壽命。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知 道，其他類型的陰極活性物質(zhì)，如納米硫，納米硅_硫，納米鍺_硫也可以應(yīng)用于此。陰極材 料以由納米級尺寸的微粒形成的復(fù)合物的形式存在，提高了陰極材料的離子傳導(dǎo)性，降低了離子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。納米結(jié)構(gòu)的碳硫的復(fù)合物粒子是亞微米尺寸微粒，也就是 復(fù)合物粒子尺寸為幾十納米或者幾百納米。由此產(chǎn)生更多的的中間粒子邊界，有利于鋰離 子的傳輸。尤其是在大充電/放電速率的情況下，降低了離子在電池內(nèi)部傳導(dǎo)的阻力。同 時，這種陰極材料能夠有效的防止硫反應(yīng)的中間化合物的外流，從而，提高了鋰硫電池的循 環(huán)壽命和功率密度。為了防止陰極材料在充放電過程中產(chǎn)生的多硫化物的溶解，含有鋰化合物的涂層 被涂覆在陰極材料上。為了形成所述的含有鋰化合物的涂層，可以先以含有半胱氨酸的多 肽為媒介涂在陰極材料表面，然后將其浸泡到含有所述鋰化合物的溶液中，使所述鋰化合 物附著到陰極表面，形成結(jié)晶和納米晶體，并籍此阻止多硫化物的溶解，同時仍然能夠允許 鋰離子通過。含有半胱氨酸的多肽具有兩極，半胱胺酸所在的一極能夠與硫形成雙硫鍵而 附著在硫上；另外一極能夠與鋰化合物結(jié)合，比如，硅酸鋰鹽，磷酸鋰鹽，甚至鋰超離子導(dǎo)體 膜。所以，通過含半胱氨酸多肽的作用，納米結(jié)構(gòu)的碳硫陰極材料的表面上就會形成一層這 些含鋰化合物的納米晶體。含鋰化合物保護層形成后，可以進行后續(xù)的其他處理工序，如加 熱。如果進行加熱工序，多肽受熱后會蒸發(fā)而損失，而僅留下含鋰化合物保護膜。由此，形 成陰極的保護涂層。從而，陰極材料在電池的反應(yīng)過程中多硫化合物的溶解被抑制，有效提 高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。隔膜4設(shè)置在陰極與陽極之間，可以是一種固體的非傳導(dǎo)性或者絕緣性材料，將陰 極和陽極隔開并使兩者相互絕緣，從而防止短路，并且隔膜能夠允許離子在陰極和陽極之 間傳遞。隔膜上的孔可以充入電解質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)中提供了多種可選擇的隔膜的材料。比如， 聚乙烯(polyethene)禾口聚丙烯(polypropene)，聚四氟乙烯(polytetrafluorethylene) (PIPE)，玻璃纖維濾紙?zhí)沾刹牧系鹊?。本發(fā)明中，選擇鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜為隔膜。鋰超離 子導(dǎo)體玻璃膜是一種混合固態(tài)電解質(zhì)玻璃膜，具有高的離子電導(dǎo)性，高的電化學(xué)穩(wěn)定性，不 會與鋰金屬反應(yīng)，不發(fā)生相變。其基本分子式Li2+2xZni_xGe04 (-0 . 36 <x< 0.87)。這種隔 膜的離子選擇性能好，可以有效的提高鋰硫電池的循環(huán)壽命。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知道，隔 膜還可以采用其它類型的固體離子門膜(solid ion gate membrane)?？梢钥吹?，本發(fā)明中陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)采用了不同的材料，從而分別適應(yīng) 于陰極活性物質(zhì)和陽極活性物質(zhì)的反應(yīng)。本發(fā)明中，電解質(zhì)至少包括電解質(zhì)鋰鹽和混合有 機溶劑。電解質(zhì)鋰鹽可以包括但不僅限于LiPF6，LiBF4，或者高氯酸鋰(LiC104)。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)該知道，鋰鹽可以有效的增加電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)性。陽極電解質(zhì)的混合有機溶劑可以是通常的有機液體溶液，如二甲氧基乙烷(DME)， 乙烯碳酸脂(EC)，二乙基碳酸脂(DEC)，丙烯碳酸脂(PC)，1，3_二氧戊烷(DIOX)，各種乙醚， 甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜或以上混合物。比如采用1，3_ 二氧戊烷(DIOX)。也可以是聚 合物，如聚丙烯腈。也可以包含凝膠，如poly (PEGMEMA1100-BMI)凝膠聚合物。如果采用凝 膠這種電解質(zhì)，由于它本身是一種軟材料，能夠發(fā)生一定的變形，因此相應(yīng)的電池的制作工 藝不會發(fā)生太大變化。電解質(zhì)以凝膠的形態(tài)設(shè)置在電池中，有利于阻止?jié)撛诘碾姵仉娊庖旱臐B漏，避免 對環(huán)境造成污染。陽極電解質(zhì)還可以包括含有N-甲基-N-丙基哌啶的離子液。離子液是 由離子組成的常溫下呈液態(tài)的低溫熔鹽，具有良好的離子導(dǎo)電性。采用這種離子液，有利于在充放電的過程中阻止鋰電極的枝狀結(jié)晶的生長，一定程度上避免了發(fā)生短路的危險，進 一步提高鋰硫電池的循環(huán)壽命。相應(yīng)的，也可以采用聚合物-離子液的混合物，如乙二醇酯 和三氟甲基磺酰亞胺鋰(LiTFSI)以及N-甲基-N-丙基哌啶的離子液。陰極電解質(zhì)的混合有機溶劑也可以是通常的有機液體溶液，如二甲氧基乙烷 (DME)，乙烯碳酸脂(EC)，二乙基碳酸脂(DEC)，丙烯碳酸脂(PC)，1，3-二氧戊烷(DIOX)，各 種乙醚，甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜或以上混合物。比如采用二甲氧基乙烷(DME)。當然， 也可以采用固體聚合物電解質(zhì)，如Li2S-P2S5的玻璃-陶瓷，或P (EO) 20Li (CF3SO2) 2N-10wt. % Y-LiA102。固體聚合物電解質(zhì)能夠穩(wěn)定硫陰極的放電性能。陰極電解質(zhì)可以包括含有 N-甲基-N-丁基哌啶的離子液。采用這種離子液為陰極電解質(zhì)，可以抑制放電過程中硫陰 極形成的多硫化合物的溶解，避免了電池的反復(fù)充放電過程中的電量下降和活性物的質(zhì)量 損失，提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命。鋰硫電池的電極反應(yīng)如下所示正極(陰極)S+2e_— S2— (1)負極(陽極)2Li+— 2Li++2e" (2)電池反應(yīng)2Li++S+2e_ — Li2S (3)在放電過程中，S還原成S2-，同時金屬Li變成Li+。然后Li+從陽極電解質(zhì)中擴 散通過LISIC0N膜，最終在陰極產(chǎn)生Li2S。在充電的過程中，Li+從陰極(Li2S)擴散至陽 極，得到電子變成金屬鋰。這樣鋰硫電池就可以反復(fù)充放電，有很大的能量密度和功率密度。利用本發(fā)明的原理，可以在任何配置中構(gòu)造電化學(xué)電池。參考附圖2，根據(jù)本發(fā)明 的一種鋰硫電池的第一個具體實施例。該電池包括銅集流體1，與銅集流體相連的鋰碳陽 極2，包覆在陽極外圍的含有高氯酸鋰(LiC104)鋰鹽和N-甲基-N-丙基哌啶的離子液的陽 極電解質(zhì)3，將陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)隔開的鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜4，以及含有高氯酸鋰 (LiC104)鋰鹽和N-甲基-N-丁基哌啶的離子液的陰極電解質(zhì)5，包覆在陰極電解質(zhì)外圍的 納米結(jié)構(gòu)的碳硫合成物粒子是亞微米尺寸微粒的陰極活性物質(zhì)6，以及涂覆碳納米管陣列 的鋁集流體7。銅陽極集流體1與鋁陰極集流體7之間設(shè)有絕緣的0形環(huán)8。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第二個實施例中，陽極電解質(zhì)含有1，3- 二氧戊烷 (DIOX)有機溶液和六氟磷酸鋰(LiPF6)鋰鹽，陰極電解質(zhì)含有二甲氧基乙烷(DME)和六氟 磷酸鋰(LiPF6)鋰鹽，陰極集流體為涂覆碳納米管陣列的鎳，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。同時參照附圖3，與第一個實施例相比，本發(fā)明的第三個實施例中，碳硫陰極活性 物質(zhì)上具有鋰化合物涂層9，其它部分結(jié)構(gòu)相同。同時參照附圖4，與第一個實施例相比，本發(fā)明的第四個實施例中，陽極活性材料 為金屬鋰，同時陽極表面具有鋰磷氧氮化合物保護層2a，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第五個實施例中，陽極電解質(zhì)含有 poly (PEGMEMA11OO-BMI)聚合物凝膠，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第六個實施例中，陰極電解質(zhì)含有Li2S-P2S5的玻 璃-陶瓷固體聚合物，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第七個實施例中，陰極集流體為鋁，而其它部分結(jié) 構(gòu)相同。
與第一個實施例相比，本發(fā)明的第八個實施例中，隔膜采用普通的聚乙烯隔膜，而 其它部分結(jié)構(gòu)相同。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第九個實施例中，陰極電解質(zhì)中不包含N-甲 基-N- 丁基哌啶的離子液，陽極電解質(zhì)中不包含N-甲基-N-丙基哌啶的離子液，陰極集流 體采用普通的鋁，不涂覆碳納米管陣列，而其它部分結(jié)構(gòu)相同。與第一個實施例相比，本發(fā)明的第十個實施例中，陰極電解質(zhì)中不包含N-甲 基-N- 丁基哌啶的離子液，陽極電解質(zhì)中不包含N-甲基-N-丙基哌啶的離子液，而其它部 分結(jié)構(gòu)相同。盡管本說明書中僅描述和圖示了本發(fā)明的幾個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該 容易預(yù)見用于執(zhí)行這里描述的功能/或者獲得這里描述的結(jié)構(gòu)的其它手段或結(jié)構(gòu)，每個這 樣的變化或者修改都視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鋰硫電池，包括陽極，包括陽極集流體和選自金屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽極活性物質(zhì)； 陰極，包括陰極活性物質(zhì)和陰極集流體，所述陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素 和有機硫化合物的硫基化合物；電解質(zhì)，包括電解質(zhì)鋰鹽和混合有機溶劑；以及隔膜，設(shè)于陰極和陽極之間，將電解質(zhì)分隔為陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離 子通過；其特征在于，所述陰極活性物質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)的碳-硫(nanostructured carbon-sulphur)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池，其特征在于所述納米結(jié)構(gòu)的碳硫復(fù)合物粒子尺 寸達到亞微米級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極活性物質(zhì)上具有鋰化 合物的涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述陽極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丙基哌啶。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丁基哌啶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻璃 膜(LISIC0N)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述的陰極集流體上涂覆有碳 納米管陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丁 基哌啶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的鋰硫電池，其特征在于所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜 (LISIC0N)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的鋰硫電池，其特征在于所述的陰極集流體上涂覆有碳納米管陣列。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋰硫電池，其特征在于所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻璃膜 (LISIC0N)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的鋰硫電池，其特征在于所述的陰極集流體上涂覆有碳納 米管陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋰硫電池，其特征在于所述陽極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丙基哌啶。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的鋰硫電池，其特征在于所述的陰極集流體上涂覆有碳納 米管陣列。
15.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋰硫電池，其特征在于所述陽極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丙基哌啶。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N- 丁基哌啶。
17.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極電解質(zhì)含有N-甲基-N-丁基哌啶。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鋰硫電池，其特征在于所述的所述隔膜為鋰超離子導(dǎo)體玻 璃膜(LISIC0N)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述電解質(zhì)鋰鹽選自六氟磷酸 鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)、高氯酸鋰(LiC104)中的至少一種。
20.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述有機溶劑包含二甲氧基乙 烷(DME)，乙烯碳酸脂(EC)，二乙基碳酸脂(DEC)，丙烯碳酸脂(PC) ,1,3- 二氧戊烷(DI0X)， 乙醚，甘醇二甲醚，內(nèi)酯，砜，環(huán)丁砜中的至少一種。
21.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述有機溶劑包含聚合物凝膠。
22.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述陰極電解質(zhì)含有固體聚合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鋰硫電池，其特征在于所述陽極包括至少一層金屬鋰 的保護膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰硫電池，包括陽極，包括選自金屬鋰、鋰合金和鋰碳的陽極活性物質(zhì)和陽極集流體；陰極，包括陰極活性物質(zhì)和陰極集流體，所述陰極活性物質(zhì)包含至少一種選自硫元素和有機硫化合物的硫基化合物；電解質(zhì)，包括鋰鹽和混合有機溶劑；以及隔膜，設(shè)于陰極和陽極之間，將電解質(zhì)分隔為陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)并且允許鋰離子通過；所述陰極活性物質(zhì)為納米結(jié)構(gòu)的碳-硫。這種陰極材料能夠有效的防止硫的中間反應(yīng)化合物的損耗，從而提高了鋰硫電池的循環(huán)壽命和功率密度。
文檔編號H01M4/02GK101997145SQ20091017099
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者陳璞, 高欣 申請人:蘇州寶時得電動工具有限公司