[发明专利]用于可再充电的锂-硫电池组的不含粘合剂的硫-碳纳米管复合材料阴极和其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用作电池组，特别是锂-硫二次(可再充电的)电池组中的阴极的不含粘合剂的硫-碳纳米管(S-CNT)复合材料；和制造这类复合材料的方法。本发明也涉及含有这类复合材料的阴极和电池组。

背景技术

电池组和电化电池的基本原理

电池组可以分成两种主要类型：一次电池组和二次电池组。一次电池组可以使用一次并且然后就被用完了。二次电池组通常也称作可再充电的电池组，因为在使用之后，所述二次电池组可以连接到电力供应器(如壁式插座)，并且再充电和再次使用。在二次电池组中，每个充电/放电过程被称作一个循环。二次电池组最终到达了其可用寿命的终点，但通常仅在多个充电/放电循环之后。

二次电池组是由电化电池和任选地其它材料组成的，所述任选地其它材料如用于保护电池的外壳和用于使电池组与外部世界连接的金属丝或其它连接器。电化电池包括两个电极：正电极或阴极和负电极或阳极；分隔电极以使电池组不会短路的绝缘体；以及以化学方式连接电极的电解质。

在运作过程中，二次电池组交换了化学能和电能。在电池组的放电期间，带负电荷的电子离开阳极并前进通过外部导电体(如手机或计算机中的金属丝)到达阴极。在前进通过这些外部导电体的过程中，所述电子产生电流，所述电流提供电能。

同时，为了保持阳极和阴极的电荷呈中性，带正电荷的离子离开阳极并进入电解质中；并且正离子也离开电解质并进入阴极中。为了使这种离子移动起作用，相同类型的离子通常离开阳极并加入阴极。此外，电解质通常也包含这种相同类型的离子。为了使电池组再充电，同一个过程沿反方向发生。通过向电池供应能量，电子被诱导离开阴极并加入阳极。同时，正离子(如Li⁺)离开阴极并进入电解质中；并且Li⁺离开电解质并加入阳极，从而保持整体电极电荷呈中性。

除了含有交换电子和离子的活性材料之外，阳极和阴极通常还含有其它材料，如金属背衬，向其涂覆浆料并干燥。所述浆料通常包含活性材料以及用于帮助所述浆料粘附到所述背衬的粘合剂以及导电材料，如碳粒子。在所述浆料干燥之后，其就在金属背衬上形成了一个涂层。

除非指定其它材料，否则如本文所述的电池组所包括的系统是仅电化电池以及更复杂的系统。

可再充电的电池组的若干重要准则包括能量密度、功率密度、倍率性能、循环寿命、成本和安全性。基于插入复合材料阴极和阳极的当前锂离子电池组技术在能量密度方面受到限制。这种技术也在遭受由氧化物阴极在过度充电条件下的化学不稳定性引起的安全性问题，并且经常需要使用昂贵的过渡金属。因此，存在巨大的兴趣来开发用于锂离子电池组的候补阴极材料。硫一直被认为是这样的一种替代性阴极材料。

锂-硫电池组

锂-硫(Li-S)电池组是一种特殊类型的可再充电电池组。不同于大多数可再充电的电池组(其中离子实际上移动到晶格中并从晶格中移动出来)，在锂硫电池组上的离子与阳极中的锂和与阴极中的硫反应，甚至在不存在精确的晶体结构的情况下仍反应。在大多数Li-S电池组中，阳极是锂金属(Li或Li⁰)。在运作过程中，当电池组放电时，锂以锂离子(Li⁺)形式离开金属并进入电解质中。当电池组再充电时，锂离子(Li⁺)离开电解质并以锂金属(Li)形式析出在锂金属阳极上。在阴极，在放电期间，元素硫的粒子与电解质中的锂离子(Li⁺)反应以形成Li₂S。当电池组再充电时，锂离子(Li⁺)离开阴极，使元素硫恢复原状。

如相比于传统的锂离子电池组阴极，硫是具有吸引力的阴极候选者，因为其提供了比目前所采用的阴极(<200mAh g^-1)更高数量级的理论容量(1675mAh g^-1)而且在更安全的电压范围(1.5-2.5V)下操作。另外，硫便宜并且环境友好。