[发明专利]固态锂硫电池的阴极及其制造方法

说明书

一种锂硫电池的阴极包含孔隙率在60％至99％范围内的基于硫的复合物层；以及设置在所述复合物层顶部上以及复合物层的孔内的导电聚合物。另外，一种形成锂硫电池的阴极的方法包括：提供基材；将基于硫的浆料层设置在基材上；冷冻干燥浆料层以形成孔隙率在60％至99％范围内的基于硫的复合物层；以及将导电聚合物设置在所述复合物层顶部上以及复合物层的孔内。

背景

1、技术领域

本公开涉及固态锂硫(Li-S)电池的阴极及其制造方法。

2、背景技术

锂硫(Li-S)电池由于比常规锂离子电池更便宜、重量更轻，并且对于相同的质量可储存近两倍能量，因此是替代常规锂离子电池的有利候选物。例如，Li-S电池化学具有高的能量密度(例如2600W·h·kg^-1)和理论比容量(例如1675mA·h·g^-1)、自然丰度高以及对环境友好。

常规Li-S技术的一个困难在于元素硫(用作阴极的组分)的电子及离子绝缘性，这要求在阴极中具有大部分的导电添加剂，结果显著降低了实际容量和适用性。另一个缺陷是在常规有机电解质的电池放电期间所产生的长链聚硫化物的可溶性。由于聚硫化物从阴极迁移到锂(Li)阳极，因此引发了不期望的副反应，同时聚硫化物穿梭导致库仑效率降低及活性阴极材料持续损失。

本申请公开了用于固态锂硫(Li-S)电池应用的得到改进的阴极及其形成方法。

发明内容

在一些实施方式中，一种锂硫电池的阴极包含：孔隙率在60％至99％范围内的基于硫的复合物层；以及设置在所述复合物层顶部上以及复合物层的孔内的导电聚合物。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述复合物层的孔隙率在60％至80％的范围内。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述复合物层的孔的尺寸在1μm至50μm的范围内。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述孔的尺寸在2μm至10μm的范围内。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述复合物层包含以以下中的至少一种存在的碳材料：纳米颗粒、纳米线、纳米纤维、纳米棒、纳米管、纳米球、石墨烯或其组合。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述碳材料以5重量％至40重量％范围内的量存在。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述复合物层包含在1重量％至20重量％范围内的金属碳化物。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述导电聚合物包含以下中的至少一种：碳聚硫化物(carbon polysulfides,CS)、聚环氧乙烷(PEO)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPY)、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸(PAA)、聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)、聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(P(VdF-共-HFP))、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚(二烯丙基二甲基铵)双(三氟甲磺酰基)酰亚胺(TFSI)(PDDATFSI)或其组合，以及包含以下中的至少一种：双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐(LiTFSI)、高氯酸锂、双(草酸)硼酸锂(LiBOB)、双(氟磺酰基)亚胺锂(LiFSI)或其组合。

在一些实施方式中，一种锂硫(Li-S)电池包含：锂阳极；固态电解质；以及本文公开的阴极。

在可与任意其他方面或实施方式组合的一个方面中，所述Li-S电池被构造成具有至少90％的放电容量保持率。