[发明专利]用于Li/S电池的阴极

说明书

一种用于锂‑硫电池的阴极，所述阴极包含沉积在电流收集器上的微粒状混合物，所述微粒状混合物包含以下的掺合物：(i)由包含与导电性碳材料热熔粘合的电活性硫材料的复合材料形成的复合材料颗粒、及(ii)导电性碳填料颗粒，其中导电性碳填料颗粒构成复合材料颗粒及导电性碳填料颗粒的总重量的1至15重量％。

本发明涉及用于锂-硫电池的阴极。

背景

典型的锂-硫电池包含由锂金属或锂金属合金形成的阳极(负电极)、及由元素硫或其它电活性硫材料形成的阴极(正电极)。硫或其它电活性含硫的材料可以与导电性材料(例如炭黑)混合以改善其导电性。

在已知的阴极制造方法中，碳及硫经磨碎以形成物理混合物，使物理混合物与溶剂及粘合剂混合以形成浆料。将该浆料施加至电流收集器，且然后被干燥以移除溶剂。所得到的结构可被压延以形成复合材料电极前驱物，将其切成所期望的形状以形成阴极。将隔离件放在阴极上，并将锂阳极放在隔离件上。将电解质引入电池内以润湿阴极及隔离件。

当锂-硫电池放电时，在阴极内的硫被还原。由于硫为非导电性的，所以硫的还原典型上限于与导电性材料或电流收集器接触的硫颗粒的表面。已进行各种尝试以改善非导电硫颗粒与导电性材料之间的电接触。例如，可增加电极内的导电性材料(例如炭黑)的量以改善导电性材料与硫颗粒之间的电接触。然而，使用该方法，锂-硫电池的比能被降低，因为电池的总重量增加。还尝试将硫及导电性材料一起磨碎以形成细微粒状混合物，以增加导电性材料颗粒与硫颗粒之间的接触面积。然而，过度磨碎对总电极结构的孔隙率可能有害。

还已尝试使用碳纳米管(CNT)作为导电性材料。然而，例如由于它们的大小、脆性及在某些情况下它们的缠结结构，所以可能难以使CNT有效分散遍及电极结构。在缺乏有效分散的情况下，正电极与电解质之间的电荷转移不良。

描述

在描述并主张本发明的电极、电池及方法时，可使用以下术语：除非本文另外清楚指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”、及“该(the)”包括复数形式。因此，例如提及“一个阳极”，包括提及这类元件中的一个或更多个。

在一方面中，本发明提供用于锂-硫电池的阴极，所述阴极包含沉积在电流收集器上的微粒状混合物，所述微粒状混合物包含以下的掺合物：(i)由包含与导电性碳材料热熔粘合的电活性硫材料的复合材料形成的复合材料颗粒、及(ii)导电性碳填料颗粒(炭黑)，其中导电性碳填料颗粒构成复合材料颗粒和导电性碳填料颗粒的总重量的1至15重量％。

导电性碳材料优选地为基于碳的纳米颗粒。这类纳米颗粒的实例包括碳纳米管、碳纳米纤维、纳米石墨及石墨烯。优选地，导电性碳材料包含碳纳米管。在复合材料内的导电性碳材料可另外包含炭黑，炭黑可与电活性硫热熔粘合或热熔配混。

已经发现，通过使电活性硫材料与导电性碳材料热熔粘合或热熔配混，可形成复合材料，由此导电性碳材料与电活性材料紧密接触。例如，通过使导电性碳材料(例如碳纳米管)与电活性硫材料热熔粘合或热熔配混，可形成其中导电性材料在电活性硫材料周围形成多孔结构的复合材料。电活性硫材料与该结构紧密电接触。然而，已经发现，为了在锂-硫电池循环作用时维持期望的电接触，必须混合导电性碳填料(例如炭黑)颗粒及复合材料颗粒。不想受任何理论束缚，认为导电性碳填料颗粒(例如炭黑)与在循环作用时变得从复合材料分离的任何硫维持电接触。因此，通过使用复合材料和导电性碳填料颗粒的混合物配制阴极，可获得循环作用与容量的改进。

导电性碳填料颗粒可以由炭黑、碳纳米管、石墨、碳纤维和/或石墨烯形成。优选地，使用炭黑作为导电性碳填料颗粒。这些颗粒与复合材料颗粒混合以作为物理混合物；它们未被热熔粘合或热熔配混就形成具有复合材料颗粒的复合材料。