[发明专利]用于锂-硫电池的隔膜

说明书

在一些变体中，本发明提供了一种用于锂‑硫电池的隔膜，该隔膜包括一个可渗透锂离子的多孔衬底；以及一个在该衬底上的锂离子传导金属氧化物层，其中该金属氧化物层包括在电池运行之前有意引入的硫的沉积物。这些硫的沉积物可能来源于在该锂‑硫电池运行之前用一种或多种含硫前体(例如多硫化锂)对该金属氧化物层的处理。其他变体提供了一种使包括所披露的隔膜的锂‑硫电池充电的方法，该充电通过将基本上恒定的电压连续施加到该锂‑硫电池上直到电池充电电流处于或低于选定的电流来完成。

优先权日

本国际专利申请要求于2013年2月5日提交的对于“用于锂-硫电池的隔膜”(“SEPARATORS FOR LITHIUM-SULFUR BATTERIES”)的美国专利申请号13/760,043的优先权，此美国专利申请以其全文通过引用结合在此。

发明领域

本发明总体上涉及改进的锂-硫电化学电池结构、制造此类结构的方法、以及使用锂-硫电化学装置(诸如电池和燃料电池)的方法。

发明背景

由于基于锂(Li)的电池与其他商业电池相比的高能量密度，基于锂(Li)的电池是有吸引力的。现在在计算机、移动电话、和相关装置中商业地使用锂离子电池。基于锂的电池(包括锂离子、锂-硫、和锂-空气系统)在运输应用比如电动车辆中具有重要的潜力。

电池寿命经常是市场上的关键因素，特别是对于商业的、军用的、以及航天应用。以前的延长电池寿命的方法包括采用长寿命的阴极和阳极材料，以及限制电池运行以避免对于电池寿命有害的条件。此类有害条件的实例包括高温和低温、高放电深度、以及高速率。这些限制总是导致电池的利用不足，因此降低其有效能量密度。此外，通常要求在组水平(pack level)上使用进取性的热管理(aggressive thermal management)精密控制电池温度，这明显增加了系统重量、体积、和成本。

与锂离子电池的560Wh/kg相比，锂-硫电池具有2500Wh/kg(瓦特-小时每千克)的理论能量密度。锂-硫电池的商业化已经受到技术困难的阻碍。当一个硫电极放电时，它形成了一系列可溶于常见的电池电解质的多硫化物。这些溶解的化合物可以迁移到该锂电极上，有效地形成具有大大降低的能量效率的内部短接机制(internal short mechanism)。在重复循环过程中由于不均匀的溶解和沉积，金属锂形成枝状晶体。这些枝状晶体与电解质是高度反应性的并且可以甚至渗透隔膜以形成内部短接。随着这些多硫化物继续积累在该阳极上，并且硫从阴极到阳极损失，此短接的影响是循环寿命、能量密度和循环效率的减小。

已证明难于维持阳极和阴极的电隔离，而在同时提供将不限制电池单元的功率性能的锂离子传导。成功的电池隔膜层应该具有宽的电化学稳定窗口以便相对于该电池阳极和阴极是稳定的。此外，该隔膜层需要具有有限的电子传导率以便防止在这两个电极之间漏电。当强加两种要求时，可供使用的材料和技术是非常有限的。

在该阳极处的锂枝状晶体的形成还可以通过抬高电池电阻来限制锂硫电池的循环寿命。如果电流密度不是均匀遍及该锂阳极的表面，则锂可能优先沉积在具有最高电流密度的区域。在这些区域的沉积加剧了该电流密度不均匀性，这增长了锂枝状晶体在该阳极上的形成。随着该阳极表面上的枝状晶体的数量增加，电池电阻增加，从而限制了该电池的功率性能。

先前尝试降低锂-硫电池中的多硫化物跨接(crossover)的方法包括阴极纳米结构化或封装、电解质最优化(例如盐浓度或溶剂组成)、保护锂的电解质添加剂(比如LiNO₃)、以及双相或多层电解质。这些方法都不具有完全消除自放电的可能性。

鉴于上述缺陷，需要新的电池单元结构以便解决与锂-硫电池相关的重要的商业化问题。特别需要的是一种可以阻止在放电过程中形成的多硫化物跨接到并且沉积到阳极上的电池构型。用于锂-硫电池的改进的隔膜、以及制作和使用那些改进的隔膜的方法，因此是希望的。

发明概述