锂硫蓄电池制造技术

本发明专利技术涉及锂硫蓄电池(1)，所述锂硫蓄电池包括包含锂离子的电解质(2)，阳极(3)和包含硫的阴极(4)。根据本发明专利技术的锂硫蓄电池还包括设置在阳极(3)和阴极(4)之间的表面层(5)。锂硫蓄电池(1)还包括具有多硫化物的阴极侧区域。锂硫蓄电池的表面层(5)包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。

Lithium sulfur battery

The present invention relates to a lithium sulfur storage battery (1) comprising a lithium ion containing electrolyte (2), an anode (3), and a cathode (4) containing sulfur. The lithium sulfur battery according to the present invention also includes a surface layer (5) disposed between the anode (3) and the cathode (4). The lithium sulfur battery (1) also includes a cathode side area having a polysulfide. The surface layer (5) of the lithium sulfur battery includes at least one graphene layer that can be penetrated by lithium ions but not by a polysulfide.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫蓄电池如同目前的锂离子电池组，在锂硫蓄电池中通过锂离子进行电解质内的电荷传输。虽然在锂硫蓄电池中发生物质大部分转化的化学反应，其中硫或硫化锂的结晶可以重新形成或溶解，然而在目前的锂离子电池组中在阳极侧和阴极侧发生嵌入反应。正如锂电池组，锂硫蓄电池可以包含锂金属或者包含特征在于嵌入锂的合金或复合物。在放电过程中，锂离子从阳极转移进入电解质。在阴极上和在电解质中，锂离子与硫或与硫化物结合，其中可以形成和沉淀锂硫化物。在完全放电时形成硫化锂Li2S：完全放电：S8+16Li→8Li2S在充电过程中，所产生的化合物重新溶解并且可以产生硫(S8)。在负极侧重新沉淀锂金属，形成锂合金或者进行锂的嵌入，而在正极上硫化物重新氧化，其中在完全反应的情况下可以形成单质硫：完全充电过程：8Li2S→S8+16Li然而氧化必然不能完全进行，因此在充电过程中例如还可能形成Li2S8或短链多硫化物。在放电和充电时产生各种锂硫化物的混合物作为中间产物。在这种情况下，在放电时混合物的硫份额始终降低，而锂含量始终进一步升高。这可以通过如下顺序示意性显示(放电，示意性顺序)其中各种硫化物可能以极为不同的浓度彼此存在于混合物中。锂硫蓄电池用于储存电能。对于使用锂硫蓄电池作为动态应用和静态应用的能量储存器来说，高的可靠性和耐用性尤其具有核心意义。因此本专利技术的目的在于提供具有更高的可靠性、稳定性和寿命的锂硫蓄电池。通过根据权利要求1所述的锂硫蓄电池实现所述目的。其它从属权利要求涉及锂硫蓄电池的优选实施方案。本专利技术的主题是锂硫蓄电池(1)，所述锂硫蓄电池(1)包括包含锂离子的电解质(2)，阳极(3)和包含硫的阴极(4)。锂硫蓄电池还包括设置在阳极(3)和阴极(4)之间的表面层(5)。锂硫蓄电池具有包括多硫化物的阴极侧区域。所述表面层(5)包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。常规锂硫蓄电池的寿命通常仅限制于数个(通常为2至100个)充电放电循环。其原因之一在于阳极的老化或劣化。另一个原因在于阴极的硫的洗脱以及电解质的劣化。阳极的劣化源于阳极材料(例如锂)与杂质的不希望的反应，特别源于与多硫化物的反应。这造成常规锂硫蓄电池的容量、重量和体积能量密度以及寿命的降低。在锂硫蓄电池中，多硫化物主要在放电过程中通过硫在阴极上的反应而产生并且在电解质中可部分溶解。在许多常规锂硫蓄电池中，多硫化物可以基本上不受阻碍地转移至阳极。相反，在根据本专利技术的锂硫蓄电池中，通过设置在阳极和阴极之间的连续的覆盖表面的表面层阻碍多硫化物向阳极的转移。尤其是，表面层可以设置在阴极之后。因此，根据本专利技术的蓄电池在位于表面层的阴极侧的区域中包含多硫化物，而在表面层的阳极侧几乎或完全不存在多硫化物。虽然根据本专利技术的蓄电池的表面层禁止多硫化物穿过，但是其同时能被锂离子穿透。表面层对于锂离子的穿透性是重要的，因为锂离子必须可以在放电过程中转移至阴极并且在充电过程中负责相反路径。由于表面层能被锂离子穿透或渗透，虽然其不能被多硫化物穿透或渗透，表面层仍然可以被称为半渗透层或半阻挡层。通过使用表面层，保护了阳极免受阴极上产生的多硫化物、杂质以及电解质的分解产物的影响，并且改进了阳极以及整个蓄电池的稳定性，尤其是在多个充电放电循环中的稳定性。此外还使得多硫化物更接近阴极，这促进了阴极上的反向沉积。根据本专利技术的锂硫蓄电池的半阻挡表面层包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。例如表面层有可能完全不含基于聚合物或基于陶瓷的材料。相反，常规半渗透层通常基于聚合物或陶瓷。例如，表面层还可以直接由至少一个石墨烯层组成，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。例如所述石墨烯层也可以是连续的覆盖表面的石墨烯层。本专利技术的专利技术人发现，包括至少一个石墨烯层(所述石墨烯层能被锂离子穿透但是同时不能被多硫化物穿透)的表面层有效地保护锂硫蓄电池的阳极免受多硫化物的影响，而不会阻止蓄电池中的锂离子的离子传输。虽然石墨烯原则上不能被离子或分子穿透，但是通过在石墨烯层中针对性地引入缺损、缺陷和洞或孔可以改变石墨烯的渗透性并且选择性地适应一定的离子半径和分子尺寸。本专利技术人发现，通过这种方式有可能控制石墨烯层的渗透性，使得具有较小离子半径的锂离子可以穿过石墨烯层，同时可以有效地阻拦较大的多硫化物。本专利技术人发现，这种石墨烯层以及包括至少一个这种石墨烯层的表面层显示出特别高的锂离子穿透性，同时以特别高的可靠性阻拦多硫化物。本专利技术人尤其发现，相比于例如常规锂硫蓄电池中使用的例如基于聚合物或陶瓷的其它半渗透层，通过这种方式可以实现明显更高的选择性。相比于不包括相应石墨烯层的半渗透层，使用所述表面层能够有效地保护根据本专利技术的锂硫蓄电池的阳极免受多硫化物的影响。例如还能够明显更好地保护从而免受可以经常穿过常规蓄电池的半渗透层的短链多硫化物的影响。由此相对于常规蓄电池提高了根据本专利技术的蓄电池的循环稳定性和寿命。常规锂硫蓄电池通常包括具有相对大厚度的半渗透层，尤其是厚度通常远超一百纳米或甚至是微米范围厚度的层。而本专利技术的专利技术人发现，当使用包括至少一个石墨烯层(所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透)的表面层时，可以避免使用这种较厚的层。所述表面层满足如下任务：在明显更小的厚度下阻拦多硫化物并且允许锂离子穿过。这能够实现蓄电池的更高的体积能量密度并且避免蓄电池的内电阻由于导电性较差的较厚陶瓷层而升高。本专利技术人还发现，石墨烯的高的化学稳定性和机械稳定性造成表面层的特别高的化学稳定性和机械稳定性。本专利技术人还发现，所述表面层尽管具有相对小的厚度，但是仍然具有高的化学稳定性和机械稳定性。石墨烯的相对小的重量和由于表面层的厚度减小造成的可能的材料节省还允许实现根据本专利技术的蓄电池的更高的重量能量密度。下文介绍根据本专利技术的锂硫蓄电池的优选实施方案。本专利技术的一个优选实施方案涉及根据本专利技术的锂硫蓄电池，其中表面层(5)设置在阴极(4)上。尤其是，表面层可以直接施加在阴极上。表面层直接设置在阴极上的效果在于，阴极上产生的多硫化物始终保持在阴极的区域中。由于阴极经常特征在于多孔结构，所以其中孔可以被电解质填充，在这种设置中多硫化物虽然可以在所述孔结构内溶解在电解质中，但是不能穿过设置在阴极上的表面层。因此多硫化物不能随意进入根据本专利技术的蓄电池的其它区域。通过直接设置在阴极上，不仅保护阳极免受多硫化物的影响，而且还避免了蓄电池的其它区域被多硫化物及其反应产物或沉淀产物污染。本专利技术的另一个实施方案涉及根据本专利技术的锂硫蓄电池，所述锂硫蓄电池还包括设置在阳极(2)和阴极(4)之间的隔板(6)，其中表面层(5)设置在隔板(6)上。例如，表面层可以设置在隔板上的阴极侧，其也可以设置在隔板上的阳极侧。本专利技术人发现，可以以较低工业成本在隔板上施加表面层，因为隔板的表面结构通常比电极的表面结构更平滑。尤其是，隔板更容易化学改性。这允许更简单的施加。在隔板的阴极侧施加还具有的优点在于，隔板因此阻拦多硫化物并且多硫化物不能进入隔板。因此保证了隔板的结构(例如隔板的孔)不含多硫化物及其反应产物或沉淀产物。此外对于根据本专利技术的锂硫蓄电池，表面层(5)还可以直接设置在阳极(3)上。尤其是，表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂硫蓄电池(1)，其包括‑包含锂离子的电解质(2)‑阳极(3)，‑包含硫的阴极(4)，‑设置在阳极(3)和阴极(4)之间的表面层(5)，其中锂硫蓄电池(1)包括具有多硫化物的阴极侧区域，其中表面层(5)包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.16 DE 102014221046.11.锂硫蓄电池(1)，其包括-包含锂离子的电解质(2)-阳极(3)，-包含硫的阴极(4)，-设置在阳极(3)和阴极(4)之间的表面层(5)，其中锂硫蓄电池(1)包括具有多硫化物的阴极侧区域，其中表面层(5)包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。2.根据前述权利要求所述的锂硫蓄电池，其中表面层(5)设置在阴极(4)上。3.根据前述权利要求任一项所述的锂硫蓄电池，其还包括设置在阳极(2)和阴极(4)之间的隔板(6)，其中表面层(5)设置在隔板(6)上。4.根据前述权利要求任一项所述的锂硫蓄电池，其中表面层(5)设置在阳极(3)上。5.根据前述权利要求任一项所述的锂硫蓄电池，其中表面层既不与阳极(3)导电连接，也不与阴极(4)导电连接。6.根据前述权利要求任一项所述的锂硫蓄电池，其包括至少一个另外的设置在阳极(3)和阴极(4)之间的表面层(5b)，其中所述另外的表面层(5b)也包括至少一个石墨烯层，所述石墨烯层能被锂离子穿透但是不能被多硫化物穿透。7.根据前述权利要求任一项所述的锂硫蓄电池，其中所述石墨烯层具有直径介于0...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·拉克斯，P·奥伯胡默，B·什蒂奥斯尼，AC·根特舍夫，R·雅库布，
申请(专利权)人：宝马股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE