【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】形状适形的碱金属-硫电池相关申请的交叉引用本申请要求2017年6月2日提交的美国专利申请号15/612,497和2017年6月2日提交的美国专利申请号15/612,537的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。
本专利技术总体上涉及碱金属-硫电池领域，包括可再充电锂金属-硫电池、钠金属-硫电池、锂离子-硫电池、和钠离子-硫电池。
技术介绍
可再充电锂离子(Li-离子)和锂金属电池(包括Li-硫和Li金属-空气电池)被认为是用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和便携式电子装置，如膝上型计算机和手机的有前途的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属插层化合物(除具有4,200mAh/g的比容量的Li4.4Si之外)相比，作为金属元素的锂具有最高容量(3,861mAh/g)。因此，通常，Li金属电池具有比锂离子电池显著更高的能量密度。在历史上，可再充电锂金属电池是使用具有相对高的比容量的非锂化化合物如TiS2、MoS2、MnO2、CoO2、和V2O5作为阴极活性材料生产的，这些阴极活性材料与锂金属阳...
【技术保护点】
1.一种碱金属-硫电芯，所述碱金属-硫电芯包括：/n(a)准固体阴极，所述准固体阴极含有按体积计从30％至95％的含硫阴极活性材料、按体积计从5％至40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第一电解质、和按体积计从0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含硫阴极活性材料包括硫、金属-硫化合物、硫-碳复合材料、硫-石墨烯复合材料、硫-石墨复合材料、有机硫化合物、硫-聚合物复合材料、或其组合，并且其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从10
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 US 15/612,497;20170602 US 15/612,5371.一种碱金属-硫电芯，所述碱金属-硫电芯包括：
(a)准固体阴极，所述准固体阴极含有按体积计从30％至95％的含硫阴极活性材料、按体积计从5％至40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第一电解质、和按体积计从0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含硫阴极活性材料包括硫、金属-硫化合物、硫-碳复合材料、硫-石墨烯复合材料、硫-石墨复合材料、有机硫化合物、硫-聚合物复合材料、或其组合，并且其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从10-6S/cm至300S/cm的电导率；
(b)阳极；以及
(c)设置在所述阳极与所述准固体阴极之间的离子传导膜或多孔隔膜；其中所述准固体阴极具有不小于200μm的厚度。
2.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述阳极包括准固体阳极，所述准固体阳极含有按体积计从1.0％至95％的阳极活性材料、按体积计从5％至40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的第二电解质、和按体积计从0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10-6S/cm至约300S/cm的电导率。
3.一种碱金属-硫电芯，所述碱金属-硫电芯包括：
A)准固体阳极，所述准固体阳极含有按体积计从1.0％至95％的阳极活性材料、按体积计从5％至40％的含有溶解或分散在溶剂中的碱金属盐和离子传导聚合物的电解质、和按体积计从0.01％至30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10-6S/cm至约300S/cm的电导率；
B)阴极，所述阴极含有选自以下的阴极活性材料：硫、金属-硫化合物、硫-碳复合材料、硫-石墨烯复合材料、硫-石墨复合材料、有机硫化合物、或硫-聚合物复合材料；以及
C)设置在所述准固体阳极与所述阴极之间的离子传导膜或多孔隔膜。
4.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述第一电解质包括含有选自以下的离子传导聚合物的准固体聚合物电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
5.如权利要求2所述的碱金属-硫电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质包括含有选自以下的离子传导聚合物的准固体聚合物电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
6.如权利要求3所述的碱金属-硫电芯，其中，所述电解质是含有选自以下的离子传导聚合物的准固体聚合物电解质：具有低于1x106g/mol的分子量的聚(环氧乙烷)(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚(丙烯腈)(PAN)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚双甲氧基乙氧基乙醇盐-磷腈、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚(偏二氟乙烯)-六氟丙烯(PVDF-HFP)、其磺化衍生物、磺化聚合物、或其组合。
7.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
8.如权利要求2所述的碱金属-硫电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
9.如权利要求3所述的碱金属-硫电芯，其中，所述离子传导聚合物选自由以下组成的组：聚(全氟磺酸)、磺化聚四氟乙烯、聚四氟乙烯的磺化全氟烷氧基衍生物、磺化聚砜、磺化聚(醚酮)、磺化聚(醚醚酮)、磺化聚苯乙烯、磺化聚酰亚胺、磺化苯乙烯-丁二烯共聚物、磺化聚氯-三氟乙烯(PCTFE)、磺化全氟乙烯-丙烯共聚物(FEP)、磺化乙烯-氯三氟乙烯共聚物(ECTFE)、磺化聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯和四氟乙烯的磺化共聚物、乙烯和四氟乙烯的磺化共聚物(ETFE)、磺化聚苯并咪唑(PBI)、它们的化学衍生物、共聚物、共混物及其组合。
10.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述导电长丝选自碳纤维、石墨纤维、碳纳米纤维、石墨纳米纤维、碳纳米管、针状焦炭、碳晶须、导电聚合物纤维、导电材料涂覆的纤维、金属纳米线、金属纤维、金属线、石墨烯片、膨胀石墨片晶、其组合、或其与非长丝导电颗粒的组合。
11.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述离子传导聚合物不在所述准固体阴极中形成基质。
12.如权利要求3所述的碱金属-硫电芯，其中，所述离子传导聚合物不在所述准固体阳极中形成基质。
13.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述电极保持从10-3S/cm至10S/cm的电导率。
14.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述准固体阴极含有按体积计从0.1％至20％的导电添加剂。
15.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述准固体阴极含有按体积计从1％至10％的导电添加剂。
16.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述活性材料的量占所述电极材料的按体积计从40％至90％。
17.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述活性材料的量占所述电极材料的按体积计从50％至85％。
18.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述第一电解质处于过饱和状态。
19.如权利要求2所述的碱金属-硫电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质处于过饱和状态。
20.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述溶剂选自水、有机溶剂、离子液体、或有机溶剂和离子液体的混合物。
21.如权利要求2所述的碱金属-硫电芯，其中，所述第一电解质或所述第二电解质含有选自以下的溶剂：水、有机溶剂、离子液体、或有机溶剂和离子液体的混合物。
22.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述阳极含有选自由以下组成的组的阳极活性材料：
(a)锂金属或锂金属合金的颗粒、薄膜、或箔；
(b)天然石墨颗粒、人造石墨颗粒、中间相碳微球(MCMB)、碳颗粒、针状焦炭、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、和石墨纤维；
(c)硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、钛(Ti)、铁(Fe)、和镉(Cd)；
(d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al或Cd与其他元素的合金或金属间化合物，其中所述合金或化合物是化学计量的或非化学计量的；
(e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ni、Co、Ti、Mn或Cd的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物和碲化物、及其混合物或复合物；
(f)其预锂化型式；
(g)预锂化石墨烯片；以及
它们的组合。
23.如权利要求22所述的碱金属-硫电芯，其中，所述预锂化石墨烯片选自原生石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯氟化物、石墨烯氯化物、石墨烯溴化物、石墨烯碘化物、氢化石墨烯、氮化石墨烯、硼掺杂石墨烯、氮掺杂石墨烯、化学官能化石墨烯、其物理或化学活化或蚀刻型式、或其组合的预锂化型式。
24.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述碱金属电芯是钠金属-硫电芯或钠离子-硫电芯并且所述阳极含有阳极活性材料，所述阳极活性材料含有钠金属或选自以下的碱插层化合物：石油焦炭、无定形碳、活性炭、硬碳、软碳、模板碳、空心碳纳米线、空心碳球、钛酸盐、NaTi2(PO4)3、Na2Ti3O7、Na2C8H4O4、Na2TP、NaxTiO2(x＝0.2至1.0)、Na2C8H4O4、基于羧酸盐的材料、C8H4Na2O4、C8H6O4、C8H5NaO4、C8Na2F4O4、C10H2Na4O8、C14H4O6、C14H4Na4O8、或其组合。
25.如权利要求2所述的碱金属-硫电芯，其中，所述碱金属电芯是钠-硫电芯或钠离子-硫电芯并且所述阳极含有选自由以下组成的组的阳极活性材料：
a)钠金属或钠金属合金的颗粒、箔、或薄膜；
b)天然石墨颗粒、人造石墨颗粒、中间相碳微球(MCMB)、碳颗粒、针状焦炭、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、和石墨纤维；
c)钠掺杂的硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)、锌(Zn)、铝(Al)、钛(Ti)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)、镉(Cd)、及其混合物；
d)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠合金或金属间化合物、及其混合物；
e)Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Zn、Al、Fe、Ti、Co、Ni、Mn、Cd的含钠氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物、碲化物、或锑化物、及其混合物或复合物；
f)钠盐；
g)预负载有钠离子的石墨烯片；以及它们的组合。
26.如权利要求1所述的碱金属-硫电芯，其中，所述阴极活性材料由选自由以下组成的组的功能材料或纳米结构材料所负载：
A)选自软碳、硬碳、聚合碳或碳化树脂、中间相碳、焦炭、碳化沥青、炭黑、活性炭、纳米蜂窝状碳泡沫或部分石墨化碳的颗粒的纳米结构的或多孔无序的碳材料；
B)选自单层石墨烯片或多层石墨烯片晶的纳米石墨烯片晶；
C)选自单壁碳纳米管或多壁碳纳米管的碳纳米管；
D)碳纳米纤维、纳米线、金属氧化物纳米线或纤维、导电聚合物纳米纤维、或其组合；
E)含羰基的有机或聚合分子；
F)含可逆地捕获硫的羰基、羧基或胺基的功能材料；
以及它们的组合。
27.如权利要求1所述的碱金属-硫电池，其中，所述第一电解质含有选自由以下组成的组的有机溶剂：1,3-二氧戊环(DOL)、1,2-二甲氧基乙...
【专利技术属性】
技术研发人员：阿茹娜·扎姆，张博增，
申请(专利权)人：纳米技术仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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