[发明专利]用于锂-硫电池的多孔碳中间层

说明书

优先权

本申请根据35 U.S.C.§119要求2012年8月17日提交的美国申请专利申请系列第61/684,572号的优先权。其内容通过参考全文纳入本文。

技术领域

本发明涉及用于锂-硫(Li-S)电池的多孔碳中间层，并且涉及包含该中间层的电池。具体而言，本发明涉及多孔碳纸中间层。

背景技术

随着绿色能量的新时代的来临，在发展用于运输的电能存储体系，例如电动车辆和电网储能时需要考虑一些标准，例如成本、循环寿命、安全性、效率、能量和功率。Li-S电池是有希望的候选物之一，这是由于相对于目前使用的氧化物和磷酸盐阴极，硫在更安全的～2.1V的工作电压范围下具有1675mAh g^-1的高理论容量且成本较低。因此，近年来人们对于Li–S电池研究的兴趣逐渐增加。开发具有长的可接受的循环寿命的高容量(>800mAh g^-1)Li–S体系将使得该体系有更大的机会在不久的将来商业化。

三十年之前人们开始了锂-硫电池的早期研究，但是直到近年来重新对电动车(EV)感兴趣，人们的关注点才回到该电池体系。开发Li–S电池的主要障碍是低活性材料利用、较差的循环寿命和较低的充电效率。活性材料的较差利用是由于绝缘硫，它在电化学反应过程中会阻碍电子传递。此外，硫分子与电解质中的锂形成容易溶解的多硫化物中间体(Li₂S_x,2<x≤8)，造成严重的不可逆的容量衰减。可溶性的多硫化物在阳极和阴极之间穿梭，导致低库仑效率。因此，改进阴极结构中硫阴极的导电性并维持/再利用可溶性多硫化物对于发展可行的Li-S体系非常关键。

已经开发了许多方法来处理硫阴极的缺陷，例如合成碳-硫复合材料，并施涂导电聚合物的表面涂层。研究显示了在Li-S电池方面有希望的改进，但是材料加工步骤通常费时费力，且成本高，这限制了制造可行的锂-硫电池的可行性。使用硫-碳复合材料以及实施导电聚合物表面改性是全球范围内的实验室用来实现高容量和改进的循环寿命的主要方法。这两种方式能够增强阴极的电导率并在循环过程中抑制可溶性多硫化物中间体的损失，从而改进活性材料利用率和可循环性。此外，低库仑效率的问题已通过向电解质中加入硝酸锂来解决。但是，Li-S电池研究的主流聚焦于阴极和电解质的“内部”改造，而对阴极的“外部”设计，例如电池构造可以成为改进Li-S电池性能的新策略。

发明内容

设计在硫阴极和分隔器之间插入双功能导电性多孔层能够有效地解决上述问题。

本发明涉及电化学电池，其包括阳极、含硫阴极、含锂离子电解质和设置在阳极和阴极之间的多孔碳中间层。所述中间层可以透过电解质。所述中间层可以由多壁碳纳米管(MWCNT)或微孔碳纸(MCP)形成。

附图说明

可以参考以下说明并结合附图来更完整地理解本发明的实施方式及其优点，其中：

图1显示了可充电的Li–S电池的示意电池构造，其中(a)是具有严重穿梭效应和Li₂S毒性问题的传统构造，(b)是具有多壁碳纳米管(MWCNT)中间层的新构造；

图2显示了由Li–S电池获得的电化学数据：其中，(a)显示了电池在C/5速率下的可循环性,(b)显示了在循环前测量的电池的区域标准化奈奎斯特(Nyquist)曲线,(c)显示了改造的电池的CV曲线(前10个循环),以及(d)显示了在1C速率下改造的电池的放电/充电曲线；

图3显示了MWCNT纸的形貌,其中(a)显示了循环前的形貌,(b)显示了在1C速率下循环100次之后的形貌,(c)显示了在循环前的原管结构,(d)显示了在循环后的膨胀管,以及(e)显示了(c)的元素绘图；

图4显示了含有和不含有MWCNT中间层的锂-硫电池的高速循环性能和库仑效率；

图5显示了Li–S电池中使用的微孔碳纸(MCP)的方案和形貌，其中(a)显示了含有在硫阴极和分隔器之间插入具有微孔的双功能碳中间层的Li–S电池的示意性构造,(b)显示了MCP的表面的SEM图像,以及(c)显示了微孔碳颗粒的TEM图像；