长循环寿命的锂硫电化学电池制造技术

公开了用于电化学电池的基于硫的阴极以及长循环寿命的锂硫电化学电池。硫被掩蔽至阴极以增强阴极和电池的循环寿命。示例性的基于硫的阴极与固体聚合物电解质而不是常规的液体电解质耦合。干燥的固体聚合物电解质还用作硫的扩散屏障。固体聚合物电解质与阴极中的掩蔽基质一起阻止在常规的基于硫的液体电解质系统中发生的硫容量衰减。阴极中的掩蔽聚合物进一步结合含硫活性颗粒，阻止硫聚集物的形成，同时仍然允许锂离子在阳极和阴极之间运输。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】公开了用于电化学电池的基于硫的阴极以及长循环寿命的锂硫电化学电池。硫被掩蔽至阴极以增强阴极和电池的循环寿命。示例性的基于硫的阴极与固体聚合物电解质而不是常规的液体电解质耦合。干燥的固体聚合物电解质还用作硫的扩散屏障。固体聚合物电解质与阴极中的掩蔽基质一起阻止在常规的基于硫的液体电解质系统中发生的硫容量衰减。阴极中的掩蔽聚合物进一步结合含硫活性颗粒，阻止硫聚集物的形成，同时仍然允许锂离子在阳极和阴极之间运输。【专利说明】长循环寿命的锂硫电化学电池相关申请的交叉引用本申请要求2013年4月29日提交的美国临时专利申请61/817，248和2014年4月24日提交的美国专利申请14/260,918号的优先权，这两个专利申请在此通过引入方式并入。
技术介绍
随着对技术产品诸如便携式电话、膝上型计算机和其它消费电子产品的全球需求的逐步增加，对可再充电电池的需求突飞猛进地增长。另外，对可再充电电池的兴趣被当前的发展绿色技术诸如电气栅格负载均衡装置和电动交通工具的努力点燃，其对具有高能量密度和长日历和循环寿命的可再充电电池创造了巨大的潜在市场。 对于便携式电子设备来说，Li离子电池是可再充电电池的最受欢迎的类型中的一些。Li离子电池提供高能量和功率密度并且在不使用时减缓电荷损失。另外，它们不遭受记忆效应。由于这些益处，Li离子电池已越来越多地用于防御、航空、备份存储器和运输应用中。 虽然推进锂离子电池的更好的性能和更低的成本，但是存在对锂离子电池的基本构造的小变化，并且特别是对电池电极的设计的小变化。多孔电极活性膜具有与聚合物粘合剂结合到一起的电极活性材料颗粒和导电颗粒。这种膜通常被沉积在金属集流体上。液体电解质渗透入多孔膜中。孔确保了电极活性材料和液体电解质之间存在用于电荷转移的大的表面积。 锂-硫对(lithium-sulfur couple)被研究，因为它们具有产生具有比常规的Li离子电池高的容量和高的能量的电池的潜力。然而，对于这些系统，存在许多问题。一个问题是硫极易溶解于典型的液体电解质中。在常规的基于硫的电化学电池系统中，阴极中的硫(例如，聚硫化物的形式)溶解于电解质中并且扩散到阳极，在阳极其与锂发生反应以形成锂硫化物。以还原态被捕获在阳极，硫不能被再氧化为原来的形式并且不能返回到阴极。这导致快速的容量衰减和高的阻抗，最终导致电池毁灭。 与锂-硫系统相关的另一个问题由电极的表面积的损失引起。在循环过程中，电极区域中的硫聚集成较大的颗粒，永久地改变了阴极的形态。形态的改变导致减小的离子和电子传导率。因此，由锂-硫对产生可行的电池系统尚不可能。 有用的是构造这样的电池，其中硫可被用作活性阴极材料以便利用硫可提供的高容量和高能量。 【专利附图】【附图说明】 当结合附图阅读时，技术人员将从以下的阐释性实施方式的描述中容易地领会前述方面和其它方面。 图1是电化学电池的正极的示意图。 图2是根据本专利技术的实施方式的电化学电池的示意图，所述电化学电池具有一个正极和一个负极。 图3是根据本专利技术的实施方式的电化学电池的示意图，所述电化学电池具有一个正极和一个不同的负极。 图4A是示例性的二嵌段共聚物分子的简化图示，所述二嵌段共聚物分子具有共价结合在一起的第一聚合物嵌段和第二聚合物嵌段。 图4B示出多个二嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域和由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域。 图4C示出二嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物材料。 图5A是示例性的三嵌段聚合物分子的简化图示，所述三嵌段聚合物分子具有第一聚合物嵌段、第二聚合物嵌段和与第一聚合物嵌段相同的第三聚合物嵌段，它们全部共价结合在一起。 图5B示出多个三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域、由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域和由第三聚合物嵌段组成的第一相的第三域。 图5C示出三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物。 图6A是另一种示例性的三嵌段共聚物分子的简化图示，所述三嵌段共聚物分子具有第一聚合物嵌段、第二聚合物嵌段和与其它两个聚合物嵌段中的任一个不同的第三聚合物嵌段，它们全部共价结合在一起。 图6B示出多个三嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域、由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域和由第三聚合物嵌段组成的第三相的第三域。 图6C示出三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施方式中，公开了包括含硫的且掩蔽硫的基质、电传导剂和第一固体聚合物电解质的电极。含硫的且掩蔽硫的基质、电传导剂和第一固体聚合物电解质全部被混合在一起以形成电极活性膜。 在一种布置中，硫被物理掩蔽在掩蔽基质(sequestering matrix)中。掩蔽基质可含有PVDF或者掩蔽基质可含有第二固体聚合物电解质。在一些布置中，第一固体聚合物电解质和第二固体聚合物电解质是相同的。 在另一种布置中，硫被化学结合到掩蔽基质。掩蔽基质可含有一种或多种电传导材料，诸如炭黑、石墨、导电碳和导电聚合物。合适的导电聚合物的实例包括但不限于，聚噻吩、聚对苯乙炔(polyphenylene vinylene)、聚卩比咯、聚苯硫醚和环化的聚丙烯腈(即，具有环结构的聚丙烯腈)。 在本专利技术的一个实施方式中，阴极适合于与包括Li金属的阳极一起使用。在一种布置中，还存在邻近电极活性膜的集流体。在一种布置中，阴极不包含氟化聚合物。 在本专利技术的一个实施方式中，第一固体聚合物电解质和任选的第二固体聚合物电解质包括嵌段共聚物。固体聚合物电解质还可包括至少一种锂盐。 在本专利技术的另一个实施方式中，公开了具有如以上所描述的阴极、含锂的阳极和定位于阴极和阳极之间的固体聚合物电解质的电化学电池。阳极可以是具有薄的(<5um)单一的离子导体涂层的锂金属膜。 【具体实施方式】 本文的公开内容大体涉及电化学电池的设计。更具体地，本专利技术的实施方式提供锂-硫电极对和聚合物隔离物，它们相对于传统的锂-硫电池提供增强的能量和增加的循环寿命性能。 在本公开内容中，术语“负极”和“阳极”均用于表示“负极”。同样，术语“正极”和“阴极”均用于表示“正极”。 在本专利技术的一些实施方式中，本文公开的基于硫的电极和聚合物电解质隔离物系统的效力可归因于用作硫扩散屏障的基于聚合物的电解质材料。另外，电极设计使硫掩蔽在阴极中，使阴极中的活性材料的损失降到最低。因此，关于锂-硫电池的最重要的问题中的一些可得到解决。这样的具有基于硫的电极的电池提供了增强的能量和循环寿命性能。与含锂的阳极耦合的含硫的阴极和基于固体聚合物的电解质可制造可扩大地循环而没有显著的容量衰减的电化学电池。 在本专利技术的一个实施方式中，示例性的基于硫的阴极与干燥的固体聚合物电解质而不是常规的液体电解质耦合。干燥的固体聚合物电解质用作硫在阴极内以及在阴极和阳极之间的扩散屏障，因此阻止硫的扩散，所述硫的扩散导致在常规的基于液体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极，包括：含硫的且掩蔽硫的基质；电传导剂；和第一固体聚合物电解质；其中所述含硫的且掩蔽硫的基质、所述传导剂和所述第一固体聚合物电解质全部被混合在一起以形成电极活性膜。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：H·B·埃陶尼，M·辛，
申请(专利权)人：西奥公司，
类型：发明
国别省市：美国;US