电极与电极的制备方法与电池技术

本发明专利技术公开了一种电极，包括：含硫与碳的层状物，包括碳材、硫材与粘合剂；其中该含硫与碳的层状物的硫含量，从该含硫与碳的层状物的中心朝该含硫与碳的层状物的两侧表面逐渐降低。上述电极可作为电池的正极，且电池可具有负极；以及位于正极与负极之间的电解液。

【技术实现步骤摘要】
电极与电极的制备方法与电池
本专利技术涉及锂硫电池，特别涉及其电极结构。
技术介绍
锂/硫(Li/S)电池的理论电容量比LiFePO4高出一个数量级。然而，锂/硫系统在许多应用中尚未实现，因为硫正极材料在实际用于可再充电的锂电池之前，仍需要解决以下问题：1)硫的导电性不佳，因此粒径小可确保高的硫利用率以及在充放电循环中维持高的可逆电容量。2)应避免充放电的中间产物(多硫化物)溶解进入电解液中，以确保长的循环寿命。3)应提高正极材料的导电率，以确保更好的倍率性能。目前现有技术中解决上述问题的方法是直接湿法涂布碳材于硫碳电极上。然而涂布的碳材与硫碳电极之间的层状界面，将大幅增加电极的阻抗。综上所述，目前亟需新的电极结构解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术一实施例提供的电极，包括：含硫与碳的层状物，包括碳材、硫材与粘合剂；其中含硫与碳的层状物的硫含量，从该含硫与碳的层状物的中心朝该含硫与碳的层状物的两侧表面逐渐降低。本专利技术一实施例提供的电池，包括：正极，其为上述的电极；负极；以及位于正极与负极之间的电解液。本专利技术一实施例提供的电极的制备方法，包括：将硫碳膜置于两碳膜之间后，延压形成电极，且电极是含硫与碳的层状物，其中含硫与碳的层状物的硫含量，从该含硫与碳的层状物的中心朝该含硫与碳的层状物的两侧表面逐渐降低。附图说明图1是本专利技术一实施例中，电极的示意图；图2是本专利技术一实施例中，电池的示意图；图3是本专利技术一实施例中，纯硫、纯碳与硫碳复合材料的导电率对压力的曲线图；图4是本专利技术一实施例中，电极在不同深度的硫碳元素比；图5是本专利技术一实施例中，电池在不同充放电速度下，经多次充放电循环后的充放电容量；图6是本专利技术一实施例中，电池在0.5C的充放电循环测试多次后的电容量；图7是本专利技术一实施例中，电池在不同循环次数下的充放电曲线图；图8是本专利技术一实施例中，电极在不同深度的硫碳元素比；图9是本专利技术一实施例中，电池在不同充放电速度下，经多次充放电循环后的充放电容量；图10是本专利技术一实施例中，电池在0.5C的充放电循环测试多次后的电容量；图11是本专利技术一实施例中，电池在不同循环次数下的充放电曲线图；图12是本专利技术不同实施例的电极的导电率对压力的曲线图。【附图标记说明】10含硫与碳的层状物；11助导层；13电流收集层；20电池；21正极；23电解液；25负极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术一实施例提供电极的制备方法。首先，混合碳材与粘合剂后，压延成碳膜。在一实施例中，碳材可为活性碳、导电碳黑、片状孔碳、中孔碳、微孔碳球、空心碳球、纳米碳管、石墨烯、碳纤维、硫碳复合材料、或上述的组合，而粘合剂可为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、藻酸或上述的组合。在一实施例中，碳材与粘合剂的重量比例介于98:2至90:10之间。若碳材的比例过高，则碳膜的机械强度变差不易加工。若碳材的比例过低，则碳膜的导电性变差。在一实施例中，上述压延步骤的压力介于10～1000kgf/cm2之间。若压力过大，则碳膜过于致密，而无法在后续步骤中与硫碳膜压延成不具界面层的电极。若压力过小，则碳膜机械强度不佳易于破裂，形成不连续面的碳膜。上述压延后形成的碳膜厚度可介于15μm至300μm之间。若碳膜的厚度过薄，则无法成膜。若碳膜的厚度过厚，则在制备成电极时会降低电极中的硫活物含量。接着可混合硫材、碳材与粘合剂后压延成硫碳膜。碳材与粘合剂的种类如前述，在此不再赘述。在一实施例中，硫材可为单质硫、硫化物、硫碳复合材料、或上述的组合。举例来说，硫化物可为含硫聚合物、金属硫化物或上述的组合。含硫聚合物可为聚噻吩，或具有硫原子的取代基的其他聚合物如聚苯胺、聚吡咯或聚多巴胺。金属硫化物为硫化铁、硫化钴、硫化锡、硫化铜、硫化钛或上述的组合。在一实施例中，100重量份的混合物中硫材占50至90重量份，碳材占5至45重量份，且粘合剂占2至10重量份。若硫材的比例过高，则电极的内阻抗提高，影响电池的能量表现。若硫材的比例过低，则电极的活物量降低，电池的能量偏低。在一实施例中，上述压延步骤的压力介于10～1000kgf/cm2之间。若压力过大，则硫碳膜过于致密，而无法在后续步骤中与碳膜压延成不具界面层的电极。若压力过小，则硫碳膜机械强度不佳易于破裂，形成不连续面的硫碳膜。上述压延后形成的硫碳膜厚度可介于20μm至1200μm之间。若硫碳膜的厚度过薄，则电极的硫活物量降低，电池的能量偏低。若硫碳膜的厚度过厚，则电极的内阻抗提高，影响电池的能量表现。接着将硫碳膜夹设于两片碳膜之间，压延形成电极。在一实施例中，夹设于两片碳膜之间的可为多个不同硫碳比例的硫碳膜，且越中间的硫碳膜其硫比例越高。在一实施例中，上述压延步骤的压力介于10～1000kgf/cm2之间。若压力过大，则电极内的硫活物分布不均。若压力过小，则硫碳膜与碳膜无法形成一体的电极，仍存在接口阻抗问题。上述压延后形成的电极厚度可介于20μm至300μm之间。若电极厚度过大，则抑制离子与电子在电极中的移动传送。若电极厚度过小，则不易制备成电池组件。如图1所示，上述电极是含硫与碳的层状物10，其包含硫材、碳材与粘合剂。含硫与碳的层状物10的硫含量，从含硫与碳的层状物10的中心朝含硫与碳的层状物10的两侧表面逐渐降低。简而言之，上述含硫与碳的层状物10具有渐变的组成。举例来说，含硫与碳的层状物10的中心的硫含量介于30wt％至90wt％之间，而含硫与碳的层状物10的两侧表面的硫含量介于0wt％至10wt％之间。值得注意的是，含硫与碳的层状物10中不具有层状界面。举例来说，在垂直于含硫与碳的层状物10的表面的方向上，任一处以及与其相邻处的硫含量差异大于0且小于5wt％。若是上述碳膜和/或硫碳膜在堆叠前就压延过度，或者只堆叠碳膜/硫碳膜/碳膜而不进行压延，则电极中的碳膜与硫碳膜之间将具有层状界面而大幅增加电极阻抗。在一实施例中，电极可视情况包含电流收集层13与助导层11，且助导层11位于该电流收集层13与含硫与碳的层状物10之间。举例来说，电流收集层13包括金属箔(如铝箔、铜箔、镍箔、钛箔或不锈钢箔)或金属网(如铝网、铜网、镍网、钛网或不锈钢网)，而助导层11包括碳材与粘合剂。碳材与粘合剂与前述的碳材与粘合剂类似，在此不再赘述。在一实施例中，可将90至98重量份的碳材与2至10重量份的粘合剂分散于溶剂如水、醇类、酮类、醛类、有机酸、或N-甲基吡咯烷酮中，形成固含量介于1wt％至20wt％的浆料，并将此浆料涂布于金属箔或网上。在室温下风干或加热干燥金属箔或网上的浆料，干燥后形成的助导层11其厚度可介于0.5m至5m之间。若助导层11的厚度过高，则增加助导层的阻抗。若助导层11的厚度过低，则无法提供助导效能。在一实施例中，上述电极可作为电池20的正极21，如图2所示。电池20还包含负极25，以及位于正极21与负极25之间的电解液23。在一实施例中，负极25可包含锂、碳、硅、锡、锗或上述的组合。在一实施例中，可进一步采用隔离膜(图中未示出)于正极21与负极25之间，以避免两者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电极，其特征在于，包括：一含硫与碳的层状物，包括一硫材、一碳材与一粘合剂；其中该含硫与碳的层状物的硫含量，从该含硫与碳的层状物的中心朝该含硫与碳的层状物的两侧表面逐渐降低。

【技术特征摘要】
2015.12.03 TW 1041404911.一种电极，其特征在于，包括：一含硫与碳的层状物，包括一硫材、一碳材与一粘合剂；其中该含硫与碳的层状物的硫含量，从该含硫与碳的层状物的中心朝该含硫与碳的层状物的两侧表面逐渐降低。2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，其中该含硫与碳的层状物中不具有层状界面。3.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，其中该硫材包括单质硫、硫化物、硫碳复合材料或上述的组合。4.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，其中该碳材包括活性碳、导电碳黑、片状孔碳、中孔碳、微孔碳球、空心碳球、纳米碳管、石墨烯、碳纤维、硫碳复合材料或上述的组合。5.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，其中该粘合剂包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、藻酸或上述的组合。6.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，其中该含硫与碳的层状物的中心的硫含量介于30wt％至90wt％之间，而该含硫与碳的层...

【专利技术属性】
技术研发人员：林嘉男，方家振，张志清，李俊龙，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71