[发明专利]全固态锂-硫电化学电池及其生产方法

说明书

本发明涉及全固态锂‑硫电化学电池及其生产方法。Li‑S电化学电池包含至少一个多层组分，所述多层组分含有离子导电固体电解质膜、含硫复合材料的正极膜以及含锂的负极膜。本发明还涉及正极膜，预制正极‑电解质元件，以及它们的用途和生产方法。

相关申请

本申请要求2013年6月21日递交的加拿大申请No.2,820,635的优先权，将此申请的内容全部引入本文供参考。

发明领域

本发明涉及锂-硫(Li-S)电化学电池及其生产方法的领域。更具体而言，本发明涉及全固态Li-S电化学电池、体系和单元以及它们的生产方法。

发明背景

Li-S电池通常包含锂金属(Li(m))阳极，含与碳混合的硫(S₈)的阴极(硫本身是不良导体)，以及液体电解质。在放电期间，来自阳极的锂氧化形成锂离子，并且硫在阴极被还原以产生Li-多硫化物。在常规液体电解质中的充电-放电反应的原理显示在图1中。

锂-硫(Li-S)电池的理论比能量比锂离子电池的比能量高出约3-5倍(2567Wh/kg)。因此，从经济和环境益处方面考虑，Li-S电池技术通常称为最有前景的Li离子替代技术之一。但是，几个缺点阻碍了其在市场上的应用，包括其不良的循环寿命、低的循环效率、严重的自放电和存在的安全问题。这是由于Li-多硫化物至少部分地溶解于电解质中，更根本上是由于硫和硫化锂的绝缘性质限制这种活性材料的应用(参见Zhang S.S.等，2013,J.Power.Sources,231,第153-162页)。

在改进Li-S电池技术方面的大多数努力致力于改进含硫的复合材料(用于在阴极内捕捉硫，X.Ji等，2010,J.Mat.Chem.,20,第9821-9826页)。但是，建议的大多数方法涉及不太适合较大工业生产规模的步骤和/或涉及较高的生产成本。

一些研究团体开发了聚合物电解质体系，例如使用PEO均聚物，从而延迟多硫化物离子的溶解性，但是电池性能显示在初始放电之后立即变差(S.S.Jeong等,2007,Journalof Power Sources 174,第745–750页)。

Nagao等在2013,J.Power.Sources,222,第237-242页中描述了全固态Li-S电池。此体系包含中孔阴极复合材料、Li-Al合金阳极和硫代-LISICON(Li_3.25Ge_0.25P_0.75S₄)固体电解质。尽管具有极高的电容，但是其显示低放电电压和在室温下小于0.1C的受限功率性能。

需要在工业上可应用的Li-S电化学电池，其具有与其它Li-S电池相比的至少一种以下性能：改进的循环寿命、更好的循环效率、较低的自放电、改进的安全性和/或较低的生产成本。

发明概述

根据一个方面，本发明涉及一种电化学电池，其包含至少一个多层组分，所述多层组分包含：含有硫作为电化学活性材料的正极膜；位于负极和正极之间的固体电解质膜，所述固体电解质膜包含含有至少一种锂盐和至少一种聚合物的至少一层；和含有锂作为电化学活性材料的负极膜。

在一个实施方案中，固体电解质膜是离子导电膜，并且另外含有在含聚合物的层中或在单独的离子导电固体层中的至少一种无机化合物。

在另一个实施方案中，电解质中的聚合物包含嵌段共聚物，所述嵌段共聚物由至少一种锂离子溶剂化链段和至少一种可交联的链段组成。优选，锂离子溶剂化链段是选自具有式(I)重复单元的均聚物或共聚物：

其中，

R选自H、C₁-C₁₀烷基或-(CH₂-O-R^aR^b)；