[发明专利]锂-硫-电池的阴极材料

说明书

本发明涉及一种用于制造原电池的阴极的阴极材料或者说用于制造原电池的阴极的方法以及这样一种阴极材料、这一种阴极或这样一种原电池。

背景技术

目前正在对锂-硫-电池技术展开研究，以求能够制造具有明显较高的能量密度的电池。理论上通过这种技术可以实现能量密度超过1000Wh/kg。但是，为此，原电池的阴极必须完全是由元素硫组成。但是，元素硫既不是离子传导性的也不是导电性的，因此需要给阴极混合物添加电导性辅助材料，例如，炭黑，石墨，碳纳米管，而它们会明显地降低能量密度。

一种锂-硫-电池的阴极的制造方法是以硫颗粒和电导性辅助材料在一种液体内分散作为基础。其中，粒度视分散参数而定，为大约20μm～30μm。在以这种方式制造的阴极中，可以通过扫描电子显微镜REM)证明硫颗粒的存在。以这种方式制造的阴极典型地具有大约为300Wh/kg的能量密度和硫利用率为大约30％。

文献DE 699 06 814 T2曾介绍这种方法的继续发展，按照所述发展的方法，一种含硫的材料和一种电导材料在一种液体介质内分散和悬浮，分散液或悬浮液被浇在一个基体上面，液体介质被清除以及含硫的材料熔化并重新固化。

锂-硫-电池的阴极的另一种制造方法是以使元素硫和聚丙烯腈(PAN)加热到280℃～600℃作为基础。其中，硫与所形成的循环的聚丙烯腈，一种包括共轭π系统的聚合物化合。在其中，元素硫不能通过扫描电子显微镜分辨。以这种方式制造的阴极典型地具有大约为350Wh/kg的能量密度

发明内容

本发明的主题涉及一种用于制造一种原电池的阴极(在放电过程的正极)的阴极材料或者说用于制造一种原电池，尤其是碱-硫-电池，例如，锂-硫-电池或钠-硫-电池的阴极的方法。

按照本发明，所述方法包括下述方法步骤：

a)把元素硫，至少一种电导组分和一种溶剂或溶剂混合物混合，其中，元素硫完全地溶解于所述溶剂或溶剂混合物中，和

b)清除溶剂或溶剂混合物。

按照本发明方法的优势在于，能够实现在阴极基质内更好地分配和充分混合元素硫和电导组分，因为分子在一种溶液内比在分散液或悬浮液中分配得更加精细。在这里甚至可以有利地实现纳米级混合。通过以这种方式分配和充分混合元素硫和电导组分可以有利地显著改善阴极的电导率和离子传导率以及硫的可获得性和硫利用率，尤其是在硫含量相同的情况下。尤其是当超过50％或60％的高硫含量时候，可以获得明显较高的硫利用率。总的来讲，与至今熟悉的锂-硫-电池/钠-硫-电池相比，能够有利地实现明显较高的能量密度。

在步骤a)既可以同时部分地或完全地也可以按先后顺序地混合各组分和使硫溶解。

例如，可以按任意的顺序加入和混合元素硫，电导组分和溶剂或溶剂混合物，其中，在混合时硫完全溶解。

但是，按照一个实施方式，在方法步骤a)首先制备一种由元素硫和溶剂或溶剂混合物形成的溶液，然后混入至少一种电导组分。其中，溶液可以理解为一种由一种或多种溶剂和一种或多种溶于溶剂内的物质，例如，元素硫，形成的均质混合物，尤其是所述均质混合物不会通过过滤或离心分离处理而分离。异质混合物，如分散液或悬浮液，在本发明范围内不被视作溶液。

优选地，在方法步骤a)中所述溶剂或溶剂混合物和至少一种电导组分不会与元素硫发生化学反应或者说与元素硫键合，尤其是实施方式其中，硫，例如，以较大的组分(超过10％摩尔的硫)/或不可逆地，离开氧化阶段0。这样就可以有利地保持平均电压并避免，像在PAN-概念和其它的含聚合物—硫—键合体系中所观察的那样，平均电压下降约0.1V～0.3V。通过这种方法可以在同等的电容时实现较高的功率。

按照本发明的另一个实施方式，方法步骤a)中的至少一种电导组分是从电导聚合物，能转换成电导聚合物的聚合物，碳变型，尤其是石墨，炭黑和/或碳纳米管，和其组合中选择。尤其是，方法步骤a)中的至少一种电导组分可以从电导聚合物，碳变型，尤其是石墨，炭黑和/或碳纳米管，和其组合中选择。

按照本发明的另一个实施方式，方法步骤a)中的电导组分是一种电导聚合物或一种电导聚合物形成的混合物。已经证明电导聚合物特别有利，因为，它们能在合适的溶剂中溶解并因此而能够实现更好地分配或充分混合元素硫和电导组分。尤其是，方法步骤a)中的电导组分可以是一种本征电导聚合物或由本征电导聚合物形成的混合物。其中，本征电导聚合物尤其可以理解为一种具有共轭π-电子系统的聚合物。