[发明专利]基于固体电解质的锂-硫-电池

说明书

本发明涉及锂-硫-电池、锂-硫-电池的操作方法以及锂-硫-电池的应用。

现有技术

如今，电池对于移动和固定应用是重要的。因为锂-硫-电池可以在具有小的体积的情况下达到高的理论上为2500Wh/kg的比能量密度，所以其特别令人感兴趣。

发明内容

本发明的主题是锂-硫-电池，其包含阳极（负极）和阴极（正极），其中该阳极含有锂而该阴极含有硫。其中，将所述阳极和所述阴极通过至少一种传导锂离子而不传导电子的固体电解质分开。

在本发明的范围，作为传导锂离子的材料特别是指在25℃时锂离子传导能力≥1*10^-6S/cm的材料。在本发明的范围，作为不传导电子的材料是指在25℃时电子传导能力＜1*10^-8S/cm的材料。

通过传导锂离子而不传导电子的固体电解质分开阳极和阴极的优点在于，可以以这种方式在低温（例如低于115℃）和在高温（例如高于或等于115℃）防止短路。此外，传导锂离子而不传导电子的固体电解质隔膜可以提供基于固体的锂-硫-电池，该锂-硫-电池特别是仅仅包含固体电解质和因此可以在没有液态和任选可燃的电解质的情况操作。

在一个实施方式的范围，所述传导锂离子而不传导电子的固体电解质具有石榴石结构。在具有石榴石结构的传导锂离子而不传导电子的固体电解质中，有利的是硫不可溶或者仅仅几乎不可溶。此外，具有石榴石结构的传导锂离子而不传导电子的固体电解质是不可燃烧的和没有毒性的。具有石榴石结构的传导锂离子而不传导电子的固体电解质被证明特别是在高温操作时是有利的。

在另一个实施方式的范围，所述传导锂离子而不传导电子的固体电解质具有下列通式的石榴石结构：

Li_xA₃B₂0₁₂

其中3≤x≤7，和A为钾、镁、钙、锶、钡、钇、镧；镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和/或镥、而B为锆、铪、铌、钽、钨、铟、锡、锑、铋和/或碲。

例如，所述传导锂离子而不传导电子的固体电解质具有下列式的石榴石结构：Li₇La₃Zr₂0₁₂。在另一实施方式的范围，所述阳极由金属锂或者锂合金，特别是由金属锂而形成。因此，可以有利地实现高的最大电压。因为锂的熔点为189℃和锂-硫-电池可以在低温和在高温（特别是高于189℃）操作，锂阳极可以取决于操作温度以固态和液态的形式存在。

为了提高电子传导能力，所述阴极可以包含一种或多种材料，这些材料例如选自石墨、碳纳米管、炭黑和传导锂离子和电子的固体电解质结构。

在另一实施方式的范围，所述锂-硫-电池特别是在阴极一侧包含至少一种传导锂离子和电子的固体电解质。通过特别是阴极一侧的传导锂离子和电子的固体电解质可以有利地将在电解质、硫和导电结构之间的否则为三相的反应区减少成两相反应区，即在一侧为传导锂离子和电子的固体电解质和另一侧为硫之间，并因此提高反应动力学。

在另一实施方式的范围，所述传导锂离子而不传导电子的固体电解质朝向所述阴极一侧用由传导锂离子和电子的固体电解质形成的层覆盖。因此可以有利地特别是将在电解质、硫和导电结构之间的三相反应区减少成两相反应区，即在一侧为传导锂离子和电子的固体电解质和另一侧为硫之间，并因此提高反应动力学。

替代性地或者额外地，所述阴极可以包含至少一种传导锂离子和电子的固体电解质。有利的是其中将所述传导锂离子和电子的固体电解质用硫渗透。其优点在于，所述阴极在硫以固体形式存在的低温下，特别是在低于115℃的低温可以传导锂离子。此外，可以因此有利地放弃使用液态的和任选可燃的电解质。因此，可以有利地提供基于固体的锂-硫-电池。

在另一实施方式的范围，所述锂-硫-电池因此是基于固体电解质或者基于固体的锂-硫-电池。其中，所述锂-硫-电池特别是可以不包含在室温（25℃）为液态的电解质和例如（除任选熔化的硫和/或聚硫化物之外）仅仅包含固体电解质。这种锂-硫-电池可以有利地在≥115℃，例如≥200℃，任选≥300℃的温度和在＜115℃的温度下操作。对于这种锂-硫-电池可以有利地放弃添加液态的和任选可燃的电解质。因此，可以有利地改善安全性和循环稳定性。此外，传导锂离子和电子的固体电解质可以同时起到电流导体的作用，从而可以放弃用来提高导电性的附加添加剂，并优化电池的总能量密度。