[发明专利]多区域的硫电极及其制造方法

说明书

本文提供用于锂电池，特别是锂硫电池的正电极，及其制造方法。特别地，这些电极具有良好的性能特征，比如，即使在非常高的硫负载下(例如，>5mg/cm²)的容量和容量保持率，以及柔韧性。示例性的制造技术包括将硫(例如，电极活性硫化合物)和任选的添加剂(例如，纳米结构的导电添加剂)电喷雾至多孔导电基板(例如，比如包括多个层和/或区域的多孔碳基板)上。

交叉引用

本申请要求2016年1月20日提交的美国临时申请No.62/280,911的优先权，该美国临时申请通过引用整体并入本申请。

技术领域

本申请涉及锂电池，包括用于锂电池的正电极，特别是硫电极，及其制造方法。

背景技术

电池包括一个或多个电化学电芯，这种电芯通常包括阴极、阳极和电解质。锂二次电池是高能量密度电池，其通常用于消费性电子产品和电动车辆中。在锂二次电池中，锂离子通常在放电期间从负电极移动到正电极，而充电时相反。近年来，可充电电池产业发展迅速。应用的范围广泛，包括用于间歇性可再生能源的栅极存储的大型电池组以及用于可穿戴电子设备的小型电池。尽管锂离子电池性能的改进缓慢，但其仍有望应用于大型应用，比如电动车辆(EV)和储能系统(ESS)。

发明内容

为了进一步将锂离子电池扩展到包括EV和ESS在内的各种应用中，它们在能量密度和功率密度、倍率性能、循环能力和安全性方面的性能应被大幅改善。然而，基于Li金属氧化物(例如，LiCoO₂、LiNi_1-xM_xO₂、LiNi_xMn_yCo_zO₂)的阴极材料的有限容量(<240mAhg^-1)阻碍了改善锂离子电池能量密度的进展。为了克服常规的嵌锂金属氧化物阴极材料的有限容量，引入了基于硫嵌入的新阴极材料。硫阴极具有惊人的1,675mAh/g的理论容量。此外，硫是一种廉价的地球上丰富的材料，这使其成为更有吸引力的阴极材料的候选材料。在某些实施方式中，本文提供了具有良好循环能力的高容量锂二次电池。

例如，由于使用两个金属箔集流体和脆性的电极涂层，所以其他电池设计与电池电芯的变形不相容。在一些示例中，当金属箔集流体弯曲时，电极材料将在该区域破裂，导致电芯内出现大的死区。在一些示例中，本申请提供了高容量锂二次电池，该高容量锂二次电池消除了一个或两个金属箔集流体，以大大提高其承受电池变形的能力。在一些示例中，本申请提供了包括柔性碳基板的电池，所述柔性碳基板使电池能够被配置成薄而柔韧的结构。因此，在一些实施方式中，本申请提供的电池能够被结合到服装和可穿戴设备中。在一些示例中，本申请提供了电池以及所述电池的电极、制造方法、前体、组件等，所述电池包括一类新的柔性电池，所述一类新的柔性电池能够弯曲和变形的幅度远远超出目前发展可达到的范围。结合所讨论的高能电池化学，这些电池构成了对现有电池技术的显著改进。在其他实施方式中，比如，其中不需要柔韧性时，使用金属集流体(例如，金属箔集流体)。