一种具有功能性保护层的锂负极及锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及一种具有功能性保护层的锂负极及锂硫电池，所述锂负极具有涂覆在表面的、包含导电聚合物的功能性保护层。所述锂硫电池中，锂负极的功能性保护层与电解液接触，使得电解液与锂负极的基体之间形成稳定的界面。

【技术实现步骤摘要】
一种具有功能性保护层的锂负极及锂硫电池
本专利技术属于电化学
，具体涉及一种具有功能性保护层的锂负极以及包括上述锂负极的锂硫电池。
技术介绍
随着社会的发展，手机、便携式电脑、电动车、数码相机、1-pad等便携式电子产品充斥着人们的生活。其中锂电池作为主要的储能器件，已经在小型设备中占据主导地位，但是，随着人们对便携式生活要求的提高，传统锂电池已经不能满足人类的需求。因而，具有高比能、高安全性、高使用寿命及低成本的下一代锂电池被寄予厚望。正极是提高电池比能量的关键。硫正极具有1675mAh/g的理论比容量和2600Wh/Kg的能量密度，是目前商用过渡金属氧化物正极理论比容量和比能量的十倍，并且硫在自然界中含量丰富、价格低廉、对环境安全友好，因此硫正极成为最具有发展前景的锂电正极材料之一。虽然硫正极具有诸多优点，但是活性物质利用率低、循环性能差、库伦效率低成为限制其广泛应用的重要因素。其中硫的低电导率是其活性物质利用率低的主要原因。同时，在放电过程中，电池反应中间产物多硫化锂会溶解在醚类电解液中，之后多硫化锂在电解液中迁移，穿透隔膜到达锂负极并与其发生腐蚀反应，生成不溶且绝缘的简单硫化锂(Li2S或Li2S2),这一副反应的发生大大降低了电池活性物质利用率，然后，在电池充电过程中，一部分简单硫化锂会被锂还原成多硫化锂再次溶解于电解液向电池正极移动，而此时多硫化锂与锂之间的氧化反应也同时发生，这一过程称之为穿梭效应。同时，由于简单硫化锂在电解液中的不可溶性，进而造成电池容量的衰减，因此，穿梭效应也是库伦效率低、电池循环性能差的主要原因。科研工作者们采用不同的方法降低电池充放电过程中的穿梭效应，进而改善电池性能。采用各种碳材料，如采用碳纳米管、石墨烯、介孔碳存储硫，将硫限制在碳材料的孔道中或者利用碳材料高的比表面积限制多硫化锂的溶解，有利于穿梭效应的抑制和电池性能的提高(Angew.Chem.1nt.Ed.2013，52，2 - 18);采用聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等导电聚合物作为硫的存储体，不仅能限制多硫化锂的溶解，导电聚合物本身的活性也能提高电池的性能(Electrochemistry Communications31 (2013) 10 - 12);同时，米用纳米氧化物作为吸附齐U，能够明显吸附多硫化锂，进而降低穿梭效应对电池性能的影响(Accounts of chemicalresearch46.5(2012):1135-1143.)。之上的措施是从电池电极结构内部着手，虽能在一定程度上降低穿梭效应对电池性能的影响，但是，所使用材料制备复杂成本较高，不便于大规模生产。同时，锂硫电池的负极方面的问题是严重而复杂的，相关的研究却很少。锂硫电池的负极方面的问题主要包括以下三个方面:首先，由于金属锂的费米能级较低，因此金属锂对电解液是不稳定的，它们之间形成的SEI膜是不稳定的，并且会在循环过程中被消耗，这样会造成电解液和锂负极的损耗，因此为了匹配硫正极，锂硫电池的锂负极是必须是过量的，降低了电池的能量密度。另外，与其他采用金属锂作为负极的电池一样，在电池长期的充放电过程中，锂的不均匀沉积造成了锂支晶的生长，锂支晶的持续生长有可能会刺破隔膜，导致安全性的问题。同时，对于锂硫电池，由于电池电化学反应的中间产物多硫化锂会溶解在电解液中，它们迁移至锂负极并与其发生反应生成不可溶且绝缘的硫化锂，硫化锂的生成不仅会造成活性物质的损耗，造成电池容量衰减，而且会提高电池的极化，同时充电过程中多硫化锂与硫化锂之间的正负反应同时发生，降低电池的库伦效率。针对锂硫电池锂负极的研究工作非常少，但是针对普通锂负极，相关工作的总结如下:一部分工作围绕电解液添加剂展开，比如电解液中添加AlI3, Li2C03(J.Electrochem.Soc.144 (1997) 1709.), LiNO3 (Journal of Power Sourcesl96 (2011) 9839 - 9843)、离子液体(J.Phys.Chem.C2013，117，4431-4440)等，促使电化学过程中在负极形成更为稳定的SEI膜，但是这些添加剂却会在电化学反应过程中被逐步消耗，因而很难获得非常稳定的电化学性能，或者价格昂贵，影响电池的实用化进程；一部分工作在锂负极表面涂覆聚合物(Journal of Power Sources244 (2013) 363-368),聚合物的存在有利于减少锂负极与电解液的直接接触，降低锂负极与电解液之间不可逆反应的发生，进而得到较为稳定的SEI膜，但是不导电的聚合物的因此仍旧会在一定程度上迟滞电子离子的迁移；另外，在锂负极表面生长 Li3N(Journal of Power Sourcesl96 (2011) 8091 - 8097)或 LiPON(稀有金属材料与工程39 (2010) 1664-1667)等锂离子导体确实能够在很大程度上同时解决以上三个问题，但是，生长工艺却十分复杂，并且Li3N在空气中与水反应十分不稳定的，而LiPON的电导率则不够高。也有些研究将吡咯等单体引入到锂负极表面(ElectrochimicaActal03 (2013) 199 - 205)，并且得到良好的效果，但是材料的制备设计复杂的电化学过程，不利于大规模的应用。虽然已经有文献对吡咯单体对锂负极的修饰进行研究，但是吡咯单体没有经过掺杂氧化，本身不导电，其仅能对SEI有稳定作用，却会引起电池极化的产生，所以不适合用于锂硫电池。因此，本领域迫切需要一种安全、稳定、库伦效率高、电池容量衰减小的裡硫电池。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有锂硫电池的缺陷，本专利技术提供了一种具有功能性保护层的锂负极及包括该锂负极的锂硫电池。本专利技术提供了一种具有功能性保护层的锂负极，所述锂负极具有涂覆在表面的、包含导电聚合物的功能性保护层。本专利技术所述的锂负极含有功能性保护层，如下图所示，功能性保护层位于锂负极的表面，功能性保护层由导电聚合物基的材料组成。功能性保护层能够稳定电解液与负极的界面，形成稳定的SEI膜；同时能防止充放电过程中严重的锂支晶生长，提高电池安全性；另外，功能性保护层能够物理地隔开锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化锂与锂负极的直接接触，防止腐蚀反应的发生。因此，功能性保护层能够有效的提高锂硫电池库伦效率，降低由于多硫化锂与锂负极腐蚀反应而造成的活性物质流失，防止锂支晶的生长。总之，锂负极表面修饰一层功能性保护层能够有效的改善电池的循环稳定性，提高电池库伦效率。较佳地，所述锂负极的基体为金属锂或锂合金。较佳地，所述导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚丙烯腈、聚乙撑二氧噻吩及其衍生物中的至少一种。较佳地，述功能性保护层的厚度为IOnm?100 μ m,优选I μ m。本专利技术还提供一种包括上述任一锂负极的锂硫电池，所述锂硫电池中，锂负极的功能性保护层与电解液接触，使得电解液与锂负极的基体之间形成稳定的界面。本专利技术的有益效果: 本专利技术通过简便的方式制备得到的锂负极，能够用于制备安全、稳定、库伦效率高、电池容量衰减小的锂硫电池，易于实现产业化，产业应用性强。【附图说明】图1为本专利技术中一个实施例中制备得到的锂硫电池的结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有功能性保护层的锂负极，其特征在于，所述锂负极具有涂覆在表面的、包含导电聚合物的功能性保护层。

【技术特征摘要】
1.一种具有功能性保护层的锂负极，其特征在于，所述锂负极具有涂覆在表面的、包含导电聚合物的功能性保护层。2.根据权利要求1所述的锂负极，其特征在于，所述锂负极的基体为金属锂或锂合金。3.根据权利要求1或2所述的锂负极，其特征在于，所述导电聚合物为聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚丙烯腈、聚乙撑二氧噻吩及...

【专利技术属性】
技术研发人员：温兆银，马国强，吴梅芬，靳俊，沈忱，王清松，吴相伟，张敬超，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31