用于锂‑硫‑电池的阴极材料制造技术

本发明专利技术涉及用于电化学电池，特别是锂‑硫‑电池的阴极材料，其包含至少一种阴极活性材料(ES)和至少一种特别是传导锂离子的或能够传导锂离子的聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体，特别是锂离子导体，其中该至少一种阴极活性材料(ES)包含具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)。此外，本发明专利技术涉及配备其的电池和电池组。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂-硫-电池的阴极材料本专利技术涉及用于碱金属-硫-电池，特别是用于锂-硫-电池的阴极材料和相应的电池以及电池组。现有技术锂-离子-电池组，也称为锂-离子-蓄电池，如今作为能量存储器用于多种产品中。为了制造具有更高能量密度的电池组，研发锂-硫-电池组技术。传统锂-硫-电池含有元素硫并为了确保硫的溶解度特别含有醚基电解质溶剂。
技术实现思路
本专利技术的主题是用于电化学电池，例如用于碱金属-电池，例如用于锂-电池和/或钠-电池，特别是用于锂-电池，例如用于碱金属-硫-电池，例如用于锂-硫-电池和/或钠-硫-电池，特别是用于锂-硫-电池的阴极材料，其包含至少一种特别是含硫的阴极活性材料和至少一种特别是传导锂离子的或能够传导锂离子的聚合物电解质和/或至少一种无机离子导体，特别是锂离子导体。通过所述至少一种聚合物电解质和/或至少一种无机离子导体，可以有利地改进阴极活性材料的离子传导能力和离子结合和因此其离子接触。由此又可以有利地实现阴极，即电池正电极中的碱金属离子的提高的离子传导性，特别是提高的锂离子传导性，这使得能够有利地将该阴极材料用于高电流-电池或高电流-电池组中。此外，在这种电池或电池组中可以不需要将液体电解质引入阴极中，并特别是将该电池提供成固体-电池。碱金属-电池可以理解为特别是指电化学电池，例如电池组电池或蓄电池电池，在其电化学反应中参与的是碱金属离子，例如锂离子（例如在锂-电池的情况中）或钠离子（例如在钠-电池的情况中）。例如，碱金属-电池可以是锂-电池和/或钠-电池。碱金属-硫-电池可以理解为特别是指电化学电池，例如电池组电池或蓄电池电池，在其电化学反应中参与的是碱金属离子，例如锂离子（例如在锂-电池的情况中）或钠离子（例如在钠-电池的情况中）和硫。例如，碱金属-硫-电池可以是锂-硫-电池和/或钠-硫-电池。聚合物电解质可以理解为特别是能够传导离子的或传导离子的，例如能够传导锂离子的或传导锂离子的聚合物。因此，例如能够传导离子的或传导离子的，例如能够传导锂离子的或传导锂离子的聚合物也可以称作聚合物电解质。在用于阴极材料中时，聚合物电解质可以特别也称作阴极电解质或阴极电解物。例如，该聚合物电解质可以是能够传导锂离子的或传导锂离子的和/或能够传导钠离子的或传导钠离子的，特别是能够传导锂离子的或传导锂离子的。传导离子的，例如传导锂离子的电解质或聚合物，可理解为特别是指固有传导离子的，例如传导锂离子的和/或具有锂离子的电解质或聚合物。能够传导离子的，例如能够传导锂离子的电解质或聚合物可以理解为特别是本身可不含待传导的离子，例如锂离子，但设计用于配位和/或溶剂化待传导的离子，例如锂离子或配位待传导的离子的抗衡离子，例如锂-导电盐阴离子，并例如在添加待传导的离子，例如锂离子时变为传导离子的，例如传导锂离子的电解质或聚合物。所述至少一种阴极活性材料可特别是含硫的。例如，该至少一种阴极活性材料可包含硫-复合材料和/或元素硫和/或硫化合物，例如含有其或由其形成。例如，该至少一种阴极活性材料可包含或是硫-碳-复合材料。硫-碳-复合材料可以理解为特别是指包含硫和碳的复合材料。特别地，在硫-碳-复合材料的情况中，硫可以例如共价和/或离子地，特别是共价地键合在碳上和/或嵌入其中。通过本身既不能传导离子也不能导电的硫结合在该复合材料的碳上或嵌入其中，可以有利地——例如相比于简单的混合物——实现硫的改进的电和/或离子接触。此外，可以有利地因此将电池放电（还原）时生成的(多-)硫离子Sx2-更好地截留在阴极中，并以此方式改进硫利用度和循环稳定性。例如，该至少一种阴极活性材料可包含硫-碳-复合材料，例如在其中共价键合硫，特别是在碳上键合硫。例如，该至少一种阴极活性材料可以理解为是指硫-聚合物-和/或-碳变体-复合材料。硫-聚合物-复合材料可理解为特别是指包含硫和至少一种聚合物或由其形成的复合材料。硫-碳变体-复合材料可以理解为特别是指包含硫和碳变体，即元素碳或氧化数为零的碳，例如碳纳米管和/或碳中空球和/或石墨烯和/或石墨和/或炭黑的复合材料。任选地，该至少一种阴极活性材料可为硫-聚合物-和/或-碳变体-复合材料。例如，该至少一种阴极活性材料可包含硫-聚合物-复合材料。例如，该硫-聚合物-复合材料——特别是除硫外——可包含（至少一种）特别是导电的聚合物，例如聚丙烯腈，特别是环化聚丙烯腈(cPAN)，和/或聚吡咯和/或聚噻吩和/或聚亚苯基，例如特别是环化的聚丙烯腈和/或对聚亚苯基，或由其形成。在此特别地，硫可以例如共价和/或离子地，特别是共价地键合在特别是导电的聚合物上和/或嵌入其基质中。环化聚丙烯腈(cPAN)可以特别具有相互键合，特别是稠合的环，特别是六元环的结构，和/或包含三个碳原子和一个氮原子的重复单元，例如其中相邻环具有至少两个共用碳原子。通过硫-聚合物-复合材料，可以——相比于硫-碳变体-复合材料——有利地实现硫的改进的结合和/或特别是更细分布的嵌入以及改进的机械性能，由此可以改进电和/或离子接触以及硫利用度和因此的能量密度。例如，该至少一种阴极活性材料或硫-聚合物-复合材料可以包含或是具有例如部分或完全地，例如共价和/或离子地，特别是共价地键合的硫的聚合物。在一个实施方案中，该至少一种阴极活性材料包含具有特别是共价键合的硫的聚合物。通过该本身既不能传导离子也不能导电的硫结合在该复合材料的聚合物上，可在此有利地抑制多硫化物形成，并特别还实现——例如相比于简单的混合物——硫的改进的电和/或离子接触，并将硫还更好地截留在阴极中，并以此方式进一步改进硫利用度、循环稳定性和能量密度。例如，该聚合物可在此是能够导电或导电的。例如，该至少一种阴极活性材料可以包含或是聚合物，例如基于聚丙烯腈(PAN)的，特别是环化聚丙烯腈(cPAN)的，和/或聚吡咯和/或聚噻吩和/或聚亚苯基，特别是基于具有特别是共价键合的硫的聚丙烯腈(PAN)的，或硫-聚丙烯腈-复合材料，特别是SPAN。在此，该硫-聚合物-复合材料可以特别是硫-聚丙烯腈-复合材料，例如SPAN。特别地，该聚合物可在电池充电状态下包含共价键合的硫。通过特别是共价键合在聚合物上的硫的部分还原和/或在放电时，碱金属离子(Li+)，例如锂离子和/或钠离子，特别是锂离子，可以特别是离子地键合在硫上。在放电时，该硫在聚合物上的共价键合，可以特别是至少部分地解开。在一个实施方案中，所述具有特别是共价键合的硫的聚合物通过聚合物的，例如聚丙烯腈和/或聚吡咯和/或聚噻吩和/或聚亚苯基，特别是聚丙烯腈的硫化来制备。硫化可以理解为特别是指含硫化合物，例如元素硫和/或含硫化合物与有机化合物，例如聚合物的化学反应。特别地，可通过硫化形成硫和有机化合物，例如聚合物之间的共价键。例如，所述具有特别是共价键合的硫的聚合物可以包含或是硫化、环化且例如脱氢的聚丙烯腈，例如SPAN。硫化、环化且例如脱氢的聚丙烯腈，例如SPAN可特别地具有相互键合，特别是稠合的环，特别是六元环的结构，和/或包含三个碳原子和一个氮原子的重复单元，例如其中相邻环具有至少两个共用碳原子。在一个具体的实施方案中，所述至少一种阴极活性材料包含具有例如部分或完全，特别是完全地，例如共价和/或离子地，特别是共价地键合的硫的聚丙烯腈，例如SPA本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于碱金属‑硫‑电池的阴极材料(10)，特别是用于锂‑硫‑电池的阴极材料(10)，其包含‑ 至少一种阴极活性材料(ES)，和‑ 至少一种聚合物电解质(AQLi)，特别是传导锂离子或能够传导锂离子的聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体，特别是锂离子导体，其中所述至少一种阴极活性材料(ES)包含具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 DE 102014210917.5;2014.10.24 DE 10201421.用于碱金属-硫-电池的阴极材料(10)，特别是用于锂-硫-电池的阴极材料(10)，其包含-至少一种阴极活性材料(ES)，和-至少一种聚合物电解质(AQLi)，特别是传导锂离子或能够传导锂离子的聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体，特别是锂离子导体，其中所述至少一种阴极活性材料(ES)包含具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)。2.根据权利要求1的阴极材料(10)，其中具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)与至少一种聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体充分交错和/或在分子水平上混合。3.根据权利要求1或2的阴极材料(10)，其中阴极材料(10)包含颗粒(11)，所述颗粒(11)包含具有共价键合的硫(S)的聚合物(E)和至少一种聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体，特别是其中在颗粒(11)中，具有共价键合的硫(S)的聚合物(E)和至少一种聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体均匀分布地存在。4.根据权利要求1至3任一项的阴极材料(10)，其中具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)和至少一种聚合物电解质(AQLi)和/或至少一种无机离子导体形成能够传导离子的或传导离子的通道(100)和/或平面(1000)。5.根据权利要求4的阴极材料(10)，其中能够传导离子的或传导离子的通道(100)和/或平面(1000)连续地穿过颗粒(11)和/或延伸直至颗粒(11)的外表面。6.根据权利要求4或5的阴极材料(10)，其中通道(100)沿着具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)和/或至少一种聚合物电解质(AQLi)的聚合物主链延伸。7.根据权利要求1至6任一项的阴极材料(10)，其中能够传导离子的或传导离子的通道(100)和/或平面(1000)通过具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)的极性区域(SLi)和至少一种聚合物电解质(AQLi)的极性区域(QLi)形成。8.根据权利要求7的阴极材料(10)，其中在所述至少一种聚合物电解质(AQLi)的极性区域(QLi)中，碱金属离子(Li+)，特别是锂离子配位和/或键合在带负电的基团Q-和/或不带电的基团Q上，其中所述带负电的基团Q-和/或不带电的基团Q键合在所述至少一种聚合物电解质的形成聚合物主链的单元，特别是-[A]-上。9.根据权利要求1至8任一项的阴极材料(10)，其中具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)的聚合物主链(E)和至少一种聚合物电解质(AQLi)的聚合物主链(A)形成结构的平面。10.根据权利要求7至9任一项的阴极材料(10)，其中通过具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)的极性区域(SLi)和至少一种聚合物电解质(AQLi)的极性区域(QLi)形成能够传导离子的或传导离子的层状域，其中具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物的聚合物主链(E)和至少一种聚合物电解质(AQLi)的聚合物主链，特别是形成聚合物主链的单元-[A]-形成结构的层状域。11.根据权利要求10的阴极材料(10)，其中能够传导离子或传导离子的层状域在结构的层状域之间形成，特别是其中能够传导离子的或传导离子的层状域和结构的层状域交替设置。12.根据权利要求1至11的阴极材料(10)，其中具有键合的，特别是共价键合的硫(S)的聚合物(E)通过聚合物(E)，特别是聚丙烯腈的硫化来制备。13.根据权利要求1至12任一项的阴极材料(10)，其中所述至少一种聚合物电解质具有至少一种如下化学通式的重复单元：，其中-[A]-表示形成聚合物主链的单元，其中X表示间隔单元，其中x表示间隔单元X的数目且为1或0，并且其中Q表示带负电的基团Q-和抗衡离子Z+，特别是锂离子，或其中Q表示不带电的基团Q，或其中Q表示带正电的基团Q+和抗衡离子Z-。14.根据权利要求13的阴极材料(10)，其中Q-表示基于锂-导电盐阴离子的基团、或表示基于离子液体的阴离子的基团、或表...

【专利技术属性】
技术研发人员：J法努斯，J蒂伦，B舒曼，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE