[发明专利]复合硫/碳导电材料、其作为电极的用途以及制造该材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造仅从初始硫和初始碳获得的粉末状复合硫/碳导电材料的方法。

本发明还涉及通过这样的制造方法直接获得的粉末状复合硫/碳导电材料以及其作为电极活性材料特别是锂蓄电池的电极活性材料的用途。

背景技术

硫可用作电极特别是锂-硫(Li/S)电池的电极中的活性材料。Li/S电池构成用于能量存储特别是用于电动车辆或光伏电池的能量存储的常规锂离子(Li离子)电池的可能替代品。

实际上，已知作为Li/S蓄电池中的正极使用的硫具有1675mAh/g硫的理论比容量。

在Li/S电池中，锂和硫之间的总的电化学反应产生2V的电势差且可通过以下方程式表示：

由于其高的理论质量能量密度(2600Wh/kg_Li2S)，其天然丰度和其低的毒性，对于用作Li离子电池的活性材料而言，硫是有希望的材料。这些硫基电池是能够满足自备供电领域中的质量能量要求的有希望的候选物。

然而，目前，硫基正极给出显著低于理论容量的结果。这些差性能的原因特别是由于硫的低的电子电导率(5×10^-30S/m的电导率)引起的。在已知的方式中，可将导电材料例如碳引入到硫中以克服该问题。硫/碳混合物通常通过常规的混合和/或机械研磨技术获得。在文章“All solid-state battery with sulphur electrode and thio-LiSiCON electrolyte”(Journal of Power Sources，2008，第182卷，第2期，第621-625页)中，Kobayashi，T.等例如描述了采用50∶50的碳/硫重量比通过机械混合获得的硫/碳复合材料。1-10μm的初始硫颗粒的尺寸然后在硫/碳复合材料中保持不变。

以这种方式制造的硫/碳粉末可直接以机械方式形成或与粘合剂混合以形成电极。然后所述粘合剂进行所述硫和碳颗粒的机械凝聚(结合，cohesion)。所述电极的固有(intrinsic)容量和电化学性能关键取决于通过电化学反应产生的电子在电极内流通(circulate)的能力。因此，所述硫和碳颗粒之间的相互作用和邻近度对于电子导电是极为重要的。硫/碳混合物的品质显著地改善通过该混合物制造的电极的容量。

近来的研究是为了改善硫基电极的性能品质而进行的。特别地，Ji，X.等的文章(Nature Materials，2009，第8卷，第6期，第500-506页)、Zheng，W.等的文章(Electrochimica Acta，2006，第51卷，第1330-1335页)和Wang，J.等的文章(Electrochimica Acta，2003，第48卷，第1861-1867页)描述了用于制造包括其孔用硫填充的碳基多孔导电材料的电极的方法。

同样地，文献US-B-7361431描述了用于制造包括其孔用硫和/或用硫化的有机化合物填充的多孔导电材料的电极的方法。该硫基多孔导电材料由经热处理的多孔碳和硫获得。在保持在30-300℃的温度下和10^-6托-760托的受控压力下的密封容器中进行热处理。加热使得硫熔融和/或气化，其然后填充碳的孔。然后，可通过将该密封容器中的压力降低到10^-6托-760托的压力而除去存在于孔中和容器中的气体。硫在孔内凝固，形成无定形导电材料。

然而，用于制造这样的用硫填充的多孔导电材料的方法依然难以实施且导致材料特别是硫的大的损失。在热处理步骤期间气化的硫的一部分实际上在产生真空时被除去，这因此导致硫的大的消耗。

发明内容

本发明的一个目的是纠正(remedy)现有技术的缺点，且特别是提出具有良好的电子电导率且能够用作电极(特别是呈现具有高性能的电化学性质的锂电池的电极)的活性材料的硫基材料。

本发明的进一步目的是提供简单、容易实施且便宜的制造方法，其使得能够以高产率获得这样的材料。

根据本发明，该目的根据通过根据所附权利要求的用于制造复合硫/碳导电材料的方法、通过该方法直接获得的粉末状复合硫/碳导电材料和该材料的用途实现。

附图说明

从仅出于非限制性实例目的给出并且示于附图中的本发明具体实施方式的下列描述，其它的优点和特征将变得更加清楚地明晰，其中：