用于锂硫电池的复合材料制造技术

本发明专利技术涉及一种碳

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于锂硫电池的复合材料
[0001]本专利技术涉及一种碳
‑
硫复合材料，即碳
‑
硫复合材料的涂布粒子。本专利技术还涉及一种包含所述碳
‑
硫复合材料的阴极和一种包含所述阴极的电化学电池。本专利技术进一步涉及一种形成碳
‑
硫复合材料的涂布粒子的方法。

技术介绍

[0002]典型的锂
‑
硫电池包含由锂金属或锂金属合金形成的阳极(负电极)，和由元素硫或其它电活性硫材料形成的阴极(正电极)。硫或其它含电活性硫的材料可与导电材料混合以改进其导电性。举例来说，碳
‑
硫复合粒子可包括于阴极内。
[0003]增加如锂
‑
硫电池的电池的循环寿命为合乎需要的。可影响循环寿命的因素包括基于硫的活性材料从复合碳
‑
硫粒子中溶解到液体电解质中，这会减少可用活性材料的量。同样地，液体电解质的降解也可能通过与活性材料接触而发生。
[0004]使用MLD将涂层施加到基于硫的阴极上论述于Nature Communications,Li等人,9,文章编号4509(2018)。然而，由于阴极结构和施加方法的原因，无法实现整个活性材料的涂布，因为单个粒子的保形涂层为不可能的。由于在涂层施加期间可能发生的掩蔽或遮蔽效应，此类涂层在阴极上的施加还可能使涂层的均匀性很差。

技术实现思路

[0005]在描述本专利技术的特定实例之前，应理解，本公开不限于本文中所公开的特定电池、方法或材料。还应理解，本文中所使用的术语仅用于描述特定实例，并且并不意图为限制性的，因为保护范围将由权利要求书和其等效物界定。
[0006]在描述和要求本专利技术的电池和方法时，将使用以下术语：除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括复数形式。因此，举例来说，“一个阴极”包括提及所述元件中的一个或多个。
[0007]贯穿本说明书的描述和权利要求书，“包含”和“含有”二词和其变体意指“包括但不限于”，并且这些词并非意图(且不会)排除其它部分、添加物、组分、整体或步骤。贯穿本说明书的描述和权利要求书，除非上下文另外需要，否则单数涵盖复数。尤其是，当使用不定冠词时，除非上下文另外需要，否则本说明书应理解为考虑到复数以及单数。
[0008]如在整个说明书通篇中所用，术语“阳极”是指电化学电池中的负电极，即，在电池充电期间发生氧化的电极。如在整个说明书通篇中所用，术语“阴极”是指电化学电池中的正电极，即，在电池充电期间发生还原的电极。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提供一种碳
‑
硫复合材料，其包含：
[0010](i)包含电化学活性硫材料和导电碳材料的复合粒子；以及
[0011](ii)包含陶瓷、聚合物或陶瓷
‑
聚合物混合材料或其组合的层，其中所述层覆盖所述粒子中的每一个的外表面。
[0012]根据本专利技术的另一方面，提供一种包含如本文所公开的碳
‑
硫复合材料的阴极。
[0013]根据本专利技术的另一个方面，提供一种包含如本文所公开的阴极的锂
‑
硫电池，其中
所述电池进一步包含由锂金属和/或锂金属合金形成的阳极和电解质。
[0014]在本专利技术中，涂层存在于复合硫
‑
碳粒子上。本专利技术人已出人意料地发现根据本专利技术的涂布复合粒子可使如锂
‑
硫电池的电池的循环寿命增加。举例来说，涂层可最大限度地减少或防止基于硫的活性材料从复合硫
‑
碳粒子中溶解到此类电池的电解质中。这在例如为混合液态/固态电池的电池(如GB 2577114中所述的电池)中可能为特别有利的。在此类电池中，在中间聚硫化物物种的有限溶解或无溶解下，阴极中的电活性硫发生还原和氧化反应。这可与对聚硫化物物种具有低溶解性的液体电解质的使用组合。在此类电池中，将基于硫的活性材料保留在复合粒子和其涂层内可改进循环寿命。
[0015]如果此类添加剂包括于复合粒子内，那么根据本专利技术的涂层还可最大限度地减少或防止添加剂，如也可能存在于复合粒子中的离子导电陶瓷或聚合物溶解到液体电解质中。同样，涂层还可最大限度地减少或防止可能另外在与活性材料接触期间发生的液体电解质的降解。涂层对于电池的安全性也可为有益的，因为在使用过程中，如果发生电池破裂，可防止或最大限度地减少聚硫化物与空气中的水分接触。另外，根据本专利技术的涂布复合粒子的方法，例如原子层沉积或分子层沉积，可实现形成薄而均匀的涂层。这可消除与作为整体在阴极层上提供涂层相关联的缺点，例如归因于在涂布过程中发生的掩蔽或遮蔽效应，涂层的均匀性较差，其可能导致阴极的加速降解以及硫损失于电解质中。作为整体涂覆到阴极的涂层也比涂覆到个别复合粒子的涂层更容易受损，例如在电池破裂的情况下。
[0016]复合材料
[0017]根据本专利技术，阴极包含碳
‑
硫复合材料。碳
‑
硫复合材料由碳主体材料的孔隙内的硫域形成。阴极包含大于60wt.％硫、优选大于65wt.％硫、优选大于70wt.％硫，例如大于80wt.％硫。为了避免疑惑，这一总重量是指包括碳
‑
硫材料、粘合剂和其它添加剂在内的阴极的重量，但不包括单独的集电器的重量(如果存在的话)。碳材料的结构，尤其是碳材料内的孔隙的大小和所存在的总孔隙体积使得当碳材料的孔隙填充有硫时，复合材料的硫含量大于60wt.％硫、优选大于65wt.％硫、优选大于70wt.％硫、更优选大于75wt.％硫，例如大于80wt.％硫。因此，阴极内的碳主体的结构可允许形成含有高比例活性组分质量的电池。
[0018]复合材料包括至少一种导电碳材料。可使用任何合适的碳材料。导电碳材料可包含基于碳的纳米粒子，包括碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨和石墨烯。可利用的碳材料的实例包括科琴黑(Ketjen Black)、Carbon Super P和Maxsorb
‑
III。可使用导电碳材料的组合。碳主体结构宜具有特定孔隙结构和孔隙体积。优选地，碳材料的平均孔隙体积为至少1.5cm
3 g
‑1。优选地，碳材料的平均孔隙体积为10cm
3 g
‑1或更小。举例来说，碳材料的平均孔隙体积在1.5cm
3 g
‑1与10cm
3 g
‑1之间。在一个实施例中，碳材料的平均孔隙体积为1.5
‑
3cm3g
‑1，优选1.6
‑
2.5cm
3 g
‑1，例如1.7到2.0cm
3 g
‑1。例示性碳材料Maxsorb
‑
III(MSC
‑
30)的平均孔隙体积为大约1.79cm
3 g
‑1+/
‑
0.2(换句话说，约1.59到1.99cm
3 g
‑1)。
[0019]在一个优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种碳
‑
硫复合材料，其包含：(i)包含电化学活性硫材料和导电碳材料的复合粒子；以及(ii)包含陶瓷、聚合物、陶瓷
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聚合物混合材料或其组合的层，其中所述层覆盖所述粒子中的每一个的外表面。2.根据权利要求1所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述复合粒子进一步包含固体电解质材料。3.根据权利要求2所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述固体电解质材料选自LiPON、LLZO、LATP、LGPS、LPS和LAGP以及其组合。4.根据前述权利要求中任一项所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述陶瓷涂层选自氧化物陶瓷、如陶瓷氢化物、碳化物、氮化物、硅化物的非氧化物陶瓷或其组合。5.根据权利要求4所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述陶瓷涂层选自氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化钒、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化硼、氧化钇、氮化硅、氮化铝、氮化硼和其组合。6.根据前述权利要求中任一项所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述陶瓷
‑
聚合物混合材料为金属醇盐(metalcone)。7.根据权利要求6所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述金属醇盐选自铝醇盐(alucone)、钛醇盐(titanicone)、锆醇盐(zircone)、锌醇盐(zincone)或其组合。8.根据前述权利要求中任一项所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述层的厚度小于100nm，例如小于50nm。9.根据前述权利要求中任一项所述的碳
‑
硫复合材料，其中以所述复合粒子的总重量计，所述复合材料包含大于60重量％硫，例如大于65重量％硫。10.根据前述权利要求中任一项所述的碳
‑
硫复合材料，其中所述导电碳材料的平均孔隙体积为1.5
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【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：格利恩技术私人有限公司，
类型：发明
国别省市：