[发明专利]水性电解质锂硫电池

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求以下专利申请的优先权：2012年11月14日提交的名称为水性电解质锂硫电池(Aqueous electrolyte lithium sulfur batteries)的美国专利申请13/676,487，其是2012年5月18日提交的名称为水性电解质锂硫电池的美国专利申请13/475,324的部分继续申请；其是2012年4月5日提交的名称为水性电解质锂硫电池的美国专利申请13/440,847的部分继续申请；其要求2012年1月11日提交的名称为水性锂硫电池组电池的美国临时专利申请61/585,589和2011年11月15日提交的名称为水性锂硫电池的美国临时专利申请61/560,134的优先权。本申请还要求2012年4月11日提交的名称为水性电解质锂硫电池的美国临时专利申请61/623,031的优先权。在此通过引用将这些申请各自完整并入并用于所有目的。

技术领域

本发明总体涉及电化学储能和电力输送领域。具体地，本发明涉及水性锂硫电池组电池(battery cell)，包括液流电池及其系统，以及此种电池(cell)的制造和运行方法。

背景技术

锂硫电池具有1675mAhg^-1和大约2300Wh/kg的理论容量。硫的低成本和极高比容量使它成为用于大规模储能(包括电动汽车和网栅蓄电应用)的极具吸引力的电池阴极材料。然而，经过世界范围内各电池企业和科研机构二十多年的研究和开发，硫电极的关键技术问题仍妨碍了Li-S电池有意义的商业化。

发明内容

在一个方面中，本发明提供了一种水性锂硫电池组电池，其具有包含电活性材料的阳极结构体、包含固态电子传递介质的阴极、与所述电子传递介质接触的水性电解质以及与所述水性电解质接触的活性硫物质(species)，其中，将所述阳极电活性材料与所述水性电解质隔开而不与所述水性电解质直接接触。值得注意的是，当将阳极电活性材料与所述水性电解质隔开而不触及(即直接接触)水性电解质时，该电活性材料仍然在阳极结构体中被配置为与水性电解质进行锂离子流通。另外，由于水性电解质不触及阳极电活性材料，但与阴极直接接触，所以术语“水性阴极电解质”(或更简单的阴极电解质)与术语“水性电解质”可互换使用。

在各种实施方式中，水性电解质的电活性表现在其含有溶解的活性硫物质，该硫物质在放电和充电过程中在阴极经历电化学氧化还原。不受任何限制，溶解的氧化还原活性硫物质可以包括硫阴离子(S^2-)、硫氢根阴离子(HS-)以及包括S_x^2-且x>1(例如，S₂^2-，S₃^2-，S₄^2-，S₅^2-，S₆^2-)的多硫阴离子，和其相关自由基阴离子S_x^·-，和多硫氢根阴离子(HS_x^-，x>1)，和它们的组合。

根据本发明，水在阴极电解质中的量是显著的(即不是仅仅为痕量)。在各种实施方式中，水相对于阴极电解质中液态溶剂总体积的体积百分比为大于5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％和大于90％。在某些实施方式中，水是阴极电解质中唯一的液态溶剂(即，水占阴极电解质的溶剂体积的100％)。在各种实施方式中，水是阴极电解质中的主要液态溶剂。通过使用术语“主要液态溶剂”，其意指阴极电解质中水的体积百分比大于任何其它液态溶剂的体积百分比。

水具有独特的性质。本文描述的水性硫阴极电解质溶液中，水的存在提供了许多益处，包括活性硫物质(包括硫化锂(Li₂S))的高溶解度，即使在高硫浓度下也具有非常高的离子导电性，以及快速的溶解动力学。高溶解性、高导电性和快速溶解动力学的组合提供了引人瞩目的锂硫电池性能。