【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种用于锂硫电池的隔膜以及包含该隔膜的高能量密度的锂硫电池。本申请要求在韩国于2022年2月21日提交的韩国专利申请10-2022-0022383号和2022年12月23日提交的韩国专利申请10-2022-0183787号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
技术介绍
1、由于锂二次电池应用广泛，不仅包括移动电子设备，还包括电动汽车(ev)和储能系统(ess)，因此对高容量、高能量密度和长寿命锂二次电池的需求日益增长。
2、在各种类型的锂二次电池中，锂硫电池是一种使用包括硫-硫(s-s)键的硫类材料作为正极活性材料的电池系统，其负极包括锂金属、能够嵌入/脱嵌锂离子的碳类材料或可与锂形成合金的硅和锡。
3、在锂硫电池中，正极活性材料的主要材料硫的原子质量低，在自然界中非常丰富，遍布世界各地，成本低廉，无毒环保。
4、此外，锂硫电池在正极通过锂离子和硫的转化反应(s8+16li++16e-→8li2s)，理论比容量为1675mah/g，当将锂金属用于负极时，理论能量密度为2600wh/kg。锂硫电池的理论能量密度高于其他电池系统(ni-mh电池：450wh/kg，li-fes：480wh/kg，li-mno2：1000wh/kg，na-s电池：800wh/kg)和锂离子电池(250wh/kg)，在目前已经开发的二次电池中，锂硫电池作为高容量、环保和低成本的锂二次电池备受关注。
5、具体而言，在锂硫电池中，当使用锂金属作为负极活性材料时，由于3860mah/g的极高理论比容量
6、然而，由于作为负极活性材料的锂金属因很高的化学/电化学反应活性而容易与电解液发生反应，因此在负极表面上形成保护层。钝化层会产生局部电流密度差，从而在锂金属表面形成锂枝晶。此外，锂枝晶会导致电池内部短路和死锂，从而提高锂二次电池的物理和化学不稳定性，降低电池容量和循环寿命。
7、因此，锂硫电池在放电期间进行在正极硫接受电子的还原反应和在负极锂电离的氧化反应。
8、在锂硫电池放电过程中，正极会产生多硫化锂(li2sx，x＝2～8)，部分多硫化锂溶解在电解液中，导致电池发生副反应，加速电池劣化。此外，在充电过程中还会发生穿梭反应，导致充放电效率显著下降。此外，如上所述，负极中使用的锂金属不断与电解液发生反应，从而加速锂盐和电解质添加剂的分解。
9、如上所述，多硫化物的形成会降低电池寿命特性。
10、最近，为了防止多硫化物的溶出，提出了微溶剂化电解质(sse)体系，发现使用bet比表面积为1500m2/g以上的高比表面积的碳材料可实现90％以上的理论容量。然而，仍然需要改善锂硫电池的寿命特性和输出特性。
11、对此，为了实现400wh/kg或600wh/l以上的高能量密度的电池系统，需要开发可以在4.0mah/2以上运行的锂硫电池。
12、由于锂硫电池的正极材料可以采用干式制造方法制造，因此锂硫电池的正极材料的反应性可能不均一。
13、在包含正极、正极活性材料、负极、负极活性材料、正负极之间的隔膜和电解质的锂硫电池中，隔膜可以帮助电池以高能量密度运行，改善其寿命特性，使其接近硫(s)的理论容量。
技术实现思路
1、技术问题
2、本公开旨在提供一种克服了现有技术的缺点的用于锂硫电池的隔膜，特别是一种具有400wh/kg和600wh/l以上的高能量密度的锂硫电池用隔膜，使锂硫电池以最接近于硫(s)的理论容量运行，从而改善锂硫电池的寿命特性。
3、本公开还旨在提供一种包含该隔膜的锂硫电池。此外，本公开还旨在提供一种在电池运行期间可以减少正极活性材料的不均一反应的锂硫电池。
4、技术方案
5、本公开涉及一种用于锂硫电池的隔膜，根据本公开的第一方面，在用于锂硫电池的隔膜中，隔膜包括孔隙率为50体积％以上的第一层，其中，第一层设置在隔膜的第一表面上，第一层的厚度为隔膜的100％厚度的50％以上。
6、根据本公开的第二方面，在第一方面中，第一层的孔隙率为80体积％以下。
7、根据本公开的第三方面，在第一方面或第二方面中，隔膜包含孔隙率为25体积％以上且小于50体积％的第二层，第二层设置在与隔膜的第一表面相反的第二表面上。
8、根据本公开的第四方面，在第三方面中，隔膜包括第一层和第二层，第一层和第二层依次堆叠。
9、根据本公开的第五方面，在第一方面至第四方面中的任何一个方面中，第一层是单层或包含至少两个单元层的多层，当第一层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率为50体积％以上且80体积％以下。
10、根据本公开的第六方面，在第五方面中，当第一层为多层时，基于隔膜的厚度方向，单元层设置为孔隙率朝第一表面增加。
11、根据本公开的第七方面，在第一方面至第五方面中的任何一个方面中，第二层是单层或包含至少两个单元层的多层，当第二层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率小于50体积％且为25体积％以上。
12、根据本公开的第八方面，在第七方面中，当第二层为多层时，基于隔膜的厚度方向，单元层设置为孔隙率朝第二表面减少。
13、根据本公开的第九方面，在第一方面至第八方面中的任何一个方面中，隔膜的厚度为20μm至500μm。
14、根据本公开的第十方面，在第一方面至第九方面中的任何一个方面中，第一层包括选自多孔聚合物膜和包含聚合物材料的多孔无纺布、玻璃纤维和碳纸中的至少一种。
15、根据本公开的第十一方面，在第三方面至第十方面中的任何一个方面中，第二层包括选自多孔聚合物膜和包含聚合物材料的多孔无纺布中的至少一种。
16、本公开的第十二方面涉及一种锂硫电池。本公开的锂硫电池包括电极组件和电解质，其中，电极组件包括正极、负极和插入负极与正极之间的隔膜，正极包括正极活性材料层，正极活性材料层包括如硫和/或硫化合物等硫类材料，隔膜如第一项至第十项权利要求中的任一项中所定义，隔膜的第一层与正极活性材料层接触。
17、根据本公开的第十三方面，在第十二方面中，电解质包括锂盐和有机溶剂，有机溶剂包括包含氟化醚化合物的第一有机溶剂和包含甘醇醚类化合物的第二有机溶剂。
18、根据本公开的第十四方面，在第十二方面或第十三方面中，如硫和/或硫化合物等硫类材料以硫碳复合物的形式包含在正极活性材料层中，基于100重量％的正极活性材料层，如硫和/或硫化合物等硫类材料的含量为60重量％以上。
19、根据本公开的第十五方面，在第十四方面中，硫碳复合物包括重量比为60:40至80:20的硫和碳。
20、根据本公开的第十六方面，在第十二方面至第十五方面中的任一方面中，正极包括集电体以及在集电体的至少一个本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于锂硫电池的隔膜，其包括：
2.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层的孔隙率为80体积％以下。
3.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜包括孔隙率为25体积％以上且小于50体积％的第二层，所述第二层设置在与所述隔膜的第一表面相反的第二表面上。
4.如权利要求3所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜包括第一层和第二层，所述第一层和所述第二层依次堆叠。
5.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层是单层或包含至少两个单元层的多层，当所述第一层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率为50体积％以上且80体积％以下。
6.如权利要求5所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，当所述第一层为多层时，基于所述隔膜的厚度方向，所述单元层设置为孔隙率朝第一表面增加。
7.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第二层是单层或包含至少两个单元层的多层，当所述第二层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率小于50体积％且为25体积％以上。
8.如权利要求7所
9.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜的厚度为20μm至500μm。
10.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层包括选自多孔聚合物膜和包含聚合物材料的多孔无纺布、玻璃纤维和碳纸中的至少一种。
11.如权利要求3所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第二层包括多孔聚合物膜或包含聚合物材料的多孔无纺布中的至少一种。
12.一种锂硫电池，其包括：
13.如权利要求12所述的锂硫电池，其中，所述电解质包括锂盐和有机溶剂，所述有机溶剂包括包含氟化醚化合物的第一有机溶剂和包含甘醇醚类化合物的第二有机溶剂。
14.如权利要求12所述的锂硫电池，其中，包含硫和/或硫化合物的所述硫类材料以硫碳复合物的形式包含在所述正极活性材料层中，基于100重量％的所述正极活性材料层，所述硫类材料的含量为60重量％以上。
15.如权利要求14所述的锂硫电池，其中，所述硫碳复合物包括重量比为60:40至80:20的硫和碳。
16.如权利要求12所述的锂硫电池，其中，所述正极包括集电体以及在所述集电体的至少一个表面上的所述正极活性材料层，
17.如权利要求12所述的锂硫电池，其中，所述负极包括负极活性材料，所述负极活性材料包括锂金属和/或锂合金，所述锂合金是锂与其他金属的合金。
18.如权利要求13所述的锂硫电池，其中，基于100体积％的全部有机溶剂，第一有机溶剂和第二有机溶剂的含量为90体积％以上。
19.如权利要求13所述的锂硫电池，其中，第一有机溶剂包括1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚(TTE)、双(氟甲基)醚、2-氟甲基醚、双(2,2,2-三氟乙基)醚、丙基1,1,2,2-四氟乙基醚、异丙基1,1,2,2-四氟乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基异丁基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基乙基醚、1H,1H,2'H,3H-十氟二丙基醚或1H,1H,2'H-全氟二丙基醚中的至少一种。
20.如权利要求13所述的锂硫电池，其中，第二有机溶剂不含氟，包括二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、二甘醇二甲醚、二甘醇二乙醚、二甘醇甲乙醚、三甘醇二甲醚、三甘醇二乙醚、三甘醇甲乙醚、四甘醇二甲醚、四甘醇二乙醚、四甘醇甲乙醚、聚乙二醇二甲醚、聚乙二醇二乙醚或聚乙二醇甲乙醚中的至少一种。
21.如权利要求13所述的锂硫电池，其中，所述电解质包括双(三氟甲磺酰基)亚胺锂、二甲氧基甲烷和1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于锂硫电池的隔膜，其包括：
2.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层的孔隙率为80体积％以下。
3.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜包括孔隙率为25体积％以上且小于50体积％的第二层，所述第二层设置在与所述隔膜的第一表面相反的第二表面上。
4.如权利要求3所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜包括第一层和第二层，所述第一层和所述第二层依次堆叠。
5.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层是单层或包含至少两个单元层的多层，当所述第一层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率为50体积％以上且80体积％以下。
6.如权利要求5所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，当所述第一层为多层时，基于所述隔膜的厚度方向，所述单元层设置为孔隙率朝第一表面增加。
7.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第二层是单层或包含至少两个单元层的多层，当所述第二层包含至少两个单元层时，各个单元层的孔隙率小于50体积％且为25体积％以上。
8.如权利要求7所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，当所述第二层为多层时，基于所述隔膜的厚度方向，所述单元层设置为孔隙率朝第二表面减少。
9.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述隔膜的厚度为20μm至500μm。
10.如权利要求1所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第一层包括选自多孔聚合物膜和包含聚合物材料的多孔无纺布、玻璃纤维和碳纸中的至少一种。
11.如权利要求3所述的用于锂硫电池的隔膜，其中，所述第二层包括多孔聚合物膜或包含聚合物材料的多孔无纺布中的至少一种。
12.一种锂硫电池，其包括：
13.如权利要求12所述的锂硫电池，其中，所述电解质包括锂盐和有机溶剂，所述有机溶剂包括包含氟化醚化合物的第一有机溶剂和包含...
【专利技术属性】
技术研发人员：李炫受，朴晟孝，朴寅颱，金容辉，宋明俊，崔蘭，
申请(专利权)人：株式会社LG新能源，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。