[发明专利]具有多硫化物限制层的锂-硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有多硫化物限制层的锂-硫电池。更具体地，本发明涉及一种锂-硫电池，其能够防止在充电和放电反应过程中在正极表面上形成的多硫化物损失，从而改进电池的持久性。

背景技术

一般说来，锂-硫电池已经有望成为用于下一代电动车辆的候选者，因为它们安全性极佳，活性材料的价格低廉，且放电容量为大约2,600Wh/kg，尽管放电电势相对较低，为大约2V。

参考图1，传统的锂-硫电池通常是将具有硫-硫键的硫类化合物用作正极活性材料的二次电池。将碳类材料用作负极活性材料，碱金属例如锂或者金属离子例如锂离子在碳类材料中发生嵌入和脱嵌。锂-硫电池通过氧化还原反应产生并储存电能，其中在还原反应过程中(即，在放电过程中)，S-S键断开，因此硫的氧化状态被还原，而在氧化反应过程中(即充电过程中)，硫的氧化状态增加，因此S-S键再次形成。然而，在充电和放电反应过程中在正极中形成的多硫化锂损失到正极反应区域的外部，由此导致持久性的降低。

更具体而言，在锂-硫电池中，硫-硫化学键在放电过程中逐渐断开并转变成硫-锂键，且在此期间形成的多硫化锂(Li₂Sx，x＝8、6、4或2)是增强的极性材料并且很容易结合到亲水溶剂。溶解在电解质中的多硫化锂可以以LiSx或阴离子(LiSx^-、Sx^2-)的形式分散。当多硫化锂从硫正极分散时，其从正极的电化学反应区域逸出，因此参与到正极的电化学反应中的硫的量减少，从而造成容量损失。而且，在反复的充电和放电反应中，多硫化锂与锂金属负极反应，致使硫化锂(Li₂S)粘附到锂金属的表面，而这会影响反应活性并降低电池的电势。

用于解决锂-硫电池中的“多硫化锂损失”问题的传统技术可以大体分为三类。首先，一种方法是通过添加能够将硫吸附到正极复合材料的粘合剂来延缓正极活性材料的流出，其中使用的粘合剂包括活性碳纤维、过渡金属硫族化合物、氧化铝、硅石等。第二，一种方法是用含有涂布材料的氢氧化物、涂布材料的羟基氧化物(oxyhydroxide)、涂布元素的碳酸氧化物(oxycarbonate)、或涂布材料的碱式碳酸盐(hydroxycarbonate)的材料来处理硫表面。第三，一种方法是通过将碳材料形成纳米结构来将多硫化锂限制在纳米级的毛细管中。

然而，添加能够将硫吸附到正极的添加剂的第一种传统方法，可能引起电传导劣化，具有由添加剂引发副作用的风险，且在成本方面不合人意。

此外，根据使用某种材料来处理硫表面的第二种方法，硫在处理的过程中损失，而且这种方法需要高成本值。

最后，根据将导电材料形成纳米结构的方法，形成工艺复杂，其也需要高成本，并且由于碳纳米结构所占据的体积而发生体积损失。此外，担忧纳米结构在制造电池的辊轧过程中失去其功能。

以上在本背景部分公开的信息仅为增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成为国内本领域内普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供一种锂-硫电池，其中在正极的表面上设置有包括多孔亲水膜的多硫化物限制层，以使得在充电和放电反应过程中从正极的电化学反应区域损失的多硫化物类材料的量降到最低。

一方面，本发明提供一种锂-硫电池，其包括插在正极和隔板之间的亲水性多硫化物限制层，以防止在放电过程中多硫化物类材料从正极的表面损失。

在一个实施方式中，多硫化物限制层具有穿孔的结构，从而在充电和放电反应过程中电解质中的移动材料能被有效分散。

在另一个实施方式中，多硫化物类材料包括选自多硫化锂、LiSx、LiSx^-和Sx^2-的至少一种。

本发明的其他方面和优选实施方式在下文中进行讨论。

本发明的以上的和其他特征在下文中进行讨论。

附图说明

现在将参考附图所图示的本发明的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它特征，下文给出的这些实施方式仅仅用于说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1是示出传统的锂-硫电池的结构的示意图；

图2是示出根据本发明的一个示例性实施方式的锂-硫电池的结构的示意图；

图3是示出图2的P区中多硫化物的相对浓度分布随着时间的图；

图4是示出根据本发明的锂-硫电池的多硫化物限制特性和传统锂-硫电池的多硫化物限制特性的图；且

图5是示出本发明的实施例和测试例中制造的锂-硫电池的持久性测试结果的图。