[发明专利]锂硫电池以及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于锂的电池组，尤其涉及提供高能量密度和增强输出功率的锂硫电池组的构造。

背景技术

锂离子电池组已知广泛应用于许多应用，比如移动通信、娱乐、甚至高功率应用如汽车应用。尤其为在汽车应用中的牵引目的，锂离子电池组涉及大型蓄电系统，比如用于400km行程的汽车应用的600kg电池组重量。由于其电化学概念，锂离子电池组具有约100Wh/kg的能量存储能力。

因此，期望使用锂硫电池组，其承诺具有最高600Wh/kg的能量密度。但是，现有的锂硫电池组具有许多缺点。首先，通过多硫化物的反应链来进行放电，其中一些多硫化物溶解在电解质中。然而，溶解的硫化物与无防护的阳极相反应而导致自放电，并阻碍电池组重新充电到满容量。这已知也称作往返机制（shuttle mechanism）。

当溶解的硫化物被冷却或者浓度增加时，可能发生硫化物的沉淀。这可能在阳极和阴极之间造成电气短路。

在US 7,029,769 B2中公开了一种锂硫电池组，其中硫原子松弛地被碳管围绕。这些碳管被用作导电剂。但是，由于硫微粒作为粉末来提供，所以不具有机械稳定层。

在现有技术中已知的电池组结构使用了由多孔碳硫复合物构成的阴极。Li₂S的循环沉积和分解导致微结构的重布置。这导致在碳微粒之间电子接触的中断，这明显降低了电池组的性能。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种锂硫电池组（batteries）或电池（cell），其解决了至少一些缺点，并实现了更高的性能。

该目的通过独立权利要求的主题而得到解决。

本发明能够明显提高阴极结构的稳定性，并尤其避免了在充电或放电过程期间阴极结构的退化。另外还避免了所溶解的硫化物的任何反应。另外，作为本发明电池结构的固有属性而避免了由于所溶解的硫化物而导致的任何短路。另外，本发明还实现了高离子流动度以及阴极结构的高比表面积，这在电池充电或放电时实现了高功率性能。另外，本发明的结构还提供了机械完整性，即使电池组暴露于大的机械应力下。另外，对于高循环次数，也保持了循环稳定性。

本发明之下的概念是使用纳米管或纳米线的连续层来作为阴极结构，在该阴极结构中分布有硫微粒。这样，阴极结构的完整性在充电或放电期间保持不变。另外，硫微粒保持在纳米管或纳米线的连续层中，其为硫微粒提供支撑以把硫微粒的空间限定到该连续层本身上，并同时提供了到或从该阴极结构的高离子交换率。这样，纳米线或纳米管为硫例子提供了一个稳定的“外罩”或支撑，但并不限制离子或电子的传输。

本发明的锂硫电池包含有阳极结构、阴极结构和在上述结构之间所夹的电解质区域。该电解质区域中的至少一部分直接或间接地与阴极结构相接触，其中该阴极结构由纳米管或纳米线的连续层构成，在该连续层中分布有硫微粒。可以通过把电解质区域与阴极结构相邻、也即与纳米管或纳米线的连续层邻接来提供直接接触。可以通过被夹在电解质区域与阴极结构之间的至少一个中间层来提供间接接触。该中间层通过一种传导锂离子的（以固体形式被提供的）电解质材料来提供。该中间层以及该固体电解质层可以是不同的材料，但都是锂离子传导材料。该电解质区域可以认为包含有不同材料的固体电解质层的双层结构。如果需要保护该固体电解质层以防与阴极结构的材料相反应，那么该中间层可以用作该固体电解质层的保护层。反之亦然，如果需要保护该固体电解质层以防与该阳极结构（也即锂层）相反应，那么该固体电解质层可以用作该中间层的保护层。

另外，硫微粒附着在纳米管或纳米线的表面或容纳在纳米管中。该连续层为硫微粒提供了固定的布置，但容易地便于离子或电子交换。该连续层作为织物而被提供，其中纳米管或纳米线被相互连接或混合。在该连续层内，提供有在开孔的意义上的空间，这些空间允许与硫微粒进行离子交换或者与硫微粒进行其他的交互。在本发明的上下文中，连续定义机械结合体，其可以是柔性的，然而在不破坏该层的给定结构情况下其不能被分离。另外，这定义了该连续层的所有部分是机械互联的，使得移动该连续层的一部分必定意味着该连续层的其他所有部分以相同方式被移动。然而，该层可以弯曲但这不改变该层的基本结构。

通过使用纳米管或纳米线，可以实现高比表面积。该连续层与该电解质区域或者其至少一部分邻接。尤其是，如果使用液体电解质，那么该电解质区域的一部分尤其能够被提供在该连续层中。