[发明专利]用于锂硫电池的分隔膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料，可以通过向锂阳极施用锂取代的全氟磺酸(Li-PFSA)材料来增强采用锂金属作为电极材料的电池中锂的稳定性。本发明还公开制造用于电池的材料的方法。

背景技术

二次电池是指通过氧化和还原的化学反应而可逆地发生化学能与电能之间的转化并且充电和放电反复进行的电池。二次电池通常包括正电极(阴极)、负电极(阳极)、分隔膜和电解质作为基本组分。电极用于同时指代阴极和阳极，并且在电极材料的要素中，活性材料引起化学反应以产生电能。

在二次电池中，锂硫电池可以具有相对于其质量的高能量密度，并且锂硫电池已经被强调为下一代电池的候选者。锂硫电池采用利用硫作为阴极活性材料且金属锂作为阳极活性材料的系统。作为阴极活性材料的硫具有约1675mAh/g的相当高的理论容量，但由于各种问题，其实际容量由理论容量显著降低。

锂硫电池的主要问题为在充电和放电反应期间硫以多硫化锂(Li-PS)形式从电解质扩散的现象。当由于还原反应从电解质扩散的Li-PS穿过分隔膜并随后移向阳极时，在阳极中可能发生不必要的反应，因此会发生充电延迟。这称为“穿梭”现象，且这种穿梭现象会降低电池的使用寿命。此外，当移向阳极的Li-PS被还原为Li₂S和Li₂S₂，形成非导电材料并沉积在阳极时，会损耗活性材料，并从而降低电池的容量。

在二次电池中使用的分隔膜用于使锂离子和电解质穿过并同时电绝缘来防止阳极和阴极之间的短路。通常，已经采用聚烯烃类分隔膜，并且Li离子可以穿过膜中存在的孔，同时Li-PS也可以穿过。

在现有技术中，研究集中在锂阳极膜的应用上，通过在锂硫电池中在锂金属上使用并施加聚合物保护膜来阻隔与多硫化锂以及锂金属 的接触，以抑制与锂的副反应，从而防止穿梭现象。

然而，在目前采用的方法中，由于多硫化锂仅被物理地阻隔且其变成界面上的电阻，所以锂离子导电性会降低。此外，采用锂金属的锂离子电池还具有由于使用锂金属引起的各种副反应以及由于产生SEI涂覆膜而引起的许多缺点。

在现有技术中，在解决上述技术难题的尝试中，涉及Li-PFSA膜材料的技术的实例已被报道(图2)。在这类技术中，由于阻断PS的移动以抑制与Li阳极的副反应，可以增强电池性能和使用寿命。另外，可以防止活性材料损失，从而增强电池性能和使用寿命。然而，由于膜材料的低锂离子导电性以及电池能量密度的有限增长和作为分隔膜的应用，厚度不会减小。

换言之，由于现有技术中上述技术被应用为分隔膜，而不是用于锂阳极的保护膜的概念，因而应用的厚度可以仅限于防止内部短路。这样，现有技术中的技术可以相似地具有本发明中的膜组合物，但作用显著地不同于彼此。

在现有技术的另一个技术中，已开发出具有交联的聚合物保护薄膜的锂聚合物二次电池以及用于制造该二次电池的方法(图3)。在该锂聚合物二次电池中，通过使可交联的丙烯酸酯前体交联并聚合而形成的交联的聚合物保护薄膜在锂金属阳极的表面上形成。因此，可以抑制在充电和放电过程中在锂金属阳极表面上产生的枝晶锂的生长。另外，可以获得通过在锂金属阳极表面上锂的反复溶解和析出反应而形成的钝化膜的均匀性。

此外，在现有技术中，已报道用于锂硫电池的阳极的保护组合物以及通过使用该组合物进行制造的锂硫电池。这样，通过使用可交联的负电极保护组合物以薄膜的形式将可交联的阳极保护膜涂覆在阳极上，阳极的反应性可以降低，且表面可以被稳定，从而增强锂硫电池的使用寿命。

在上述情况中，可以通过物理地阻断锂金属和电解质来抑制副反应。然而，锂离子可能不会选择性地渗透且可能变成电阻成分，从而降低锂离子导电性。

换言之，为控制锂金属的反应性的目的，这类技术应用了聚合物 保护膜，但保护层实际上可充当使锂离子穿过的电阻元件，因此锂离子导电性会降低。

在本背景技术部分公开的上述信息仅为增强对本发明背景的理解，因此其可能包含不构成该国本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明通过将作为锂保护膜的锂取代的PFSA膜或粉末涂料层施用到锂金属的表面来提供应对上述技术难题的技术解决方案，并还提供通过支持使锂离子穿过的通道来增强锂离子导电性的保护膜材料。本发明还提供制造该保护膜材料的方法。