[发明专利]组合物、分层、电极及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月18日提交的美国临时申请61/587849和2012年2月23日提交的美国临时申请61/602180的提交日期优先权及其权益，上述申请全文以引用的方式并入本文。

背景技术

锂硫(即“Li-S”)电池作为潜在的便携式电源受到了广泛的关注，这是由于它们可适用于不同的领域。这些领域包括新兴领域(诸如电动汽车和便携式电子装置)和传统领域(诸如汽车点火电池)。就成本、安全性和容量方面而言，特别是与不是基于硫的锂离子电池技术相比，Li-S电池具有广阔的前景。例如，元素硫常被用作Li-S电池的Li-S单体电池中的电活性硫的来源。与基于元素硫的Li-S单体电池中的电活性硫相关的理论充电容量为约1,672mAh/g S。相比之下，基于金属氧化物的锂离子电池中的理论充电容量往往小于250mAh/g金属氧化物。例如，基于金属氧化物物质LiFePO₄的锂离子电池中的理论充电容量为176mAh/g。

Li-S电池包括一个或多个电化学伏打Li-S单体电池，它们由单体电池中发生的化学反应获得电能。单体电池包括至少一个正电极。当将新的正电极初始纳入Li-S单体电池时，电极包括掺入其结构内的一定量的硫化合物。硫化合物包括在操作单体电池中可被利用的潜在电活性硫。Li-S单体电池中的负电极通常包括锂金属。一般来讲，单体电池包括具有一种或多种溶剂和电解质的单体电池溶液。该单体电池还包括一个或多个多孔隔膜，用于将正电极与负电极分开并电隔离，但允许单体电池溶液在它们之间发生扩散。一般来讲，正电极连接到相同单体电池中的至少一个负电极。该连接通常是通过导电金属电路进行的。

Li-S单体电池构造还包括但不限于具有初始不包括锂金属但包括另一种材料的负电极的那些。这些材料的例子为石墨、硅合金及其它金属合金。其它Li-S单体电池构造包括正电极掺入了锂化的硫化合物的那些，所述锂化的硫化合物如硫化锂(即，Li₂S)。

Li-S单体电池中的硫化学物质涉及相关系列的硫化合物。在Li-S单体电池中的放电阶段，锂被氧化以形成锂离子。同时单体电池中诸如S₈和Li₂S₈的较大或较长链的硫化合物被电化学还原并转换成较小或较短链的硫化合物。一般来讲，可由以下元素硫电化学还原形成多硫化锂和硫化锂的理论放电序列来表示在放电期间发生的反应：

S₈→Li₂S₈→Li₂S₆→Li₂S₄→Li₂S₃→Li₂S₂→Li₂S

在Li-S单体电池的充电阶段期间发生相反的过程。锂离子被抽出单体电池溶液。这些离子可以被镀出溶液并返回至金属锂负电极。反应通常可由以下代表各种硫化物电氧化成元素硫的理论充电序列表示：

Li₂S→Li₂S₂→Li₂S₃→Li₂S₄→Li₂S₆→Li₂S₈→S₈

以前开发的Li-S单体电池及电池的通常局限是容量劣化或容量“衰减”。容量衰减与库仑效率相关联，库仑效率是通过充电储存且可在放电期间重新获得的电荷的分数或百分比。通常据信容量衰减和库仑效率部分归因于硫通过形成某些可溶性硫化合物而损失，所述可溶性硫化合物在Li-S单体电池中的电极之间“往返”并反应以沉积在负电极的表面上。据信这些沉积的硫化物可阻塞和以其它方式污染负电极的表面，并且还可导致硫从单体电池的总电活性硫中损失。阳极沉积的硫化合物的形成涉及尚未完全了解的复杂化学过程。

此外，低库仑效率是Li-S单体电池及电池的另一种常见的局限性。低库仑效率可伴有高自放电速率。据信低库仑效率也部分地为形成可溶性硫化合物的结果，在Li-S单体电池的充电和放电过程期间，所述可溶性硫化合物在电极之间往返。