[发明专利]用于锂-硫电池的阴极

说明书

本发明公开了一种用于锂‑硫电池的阴极。所述用于锂‑硫电池的阴极具有用于改善充电/放电效率、充电容量和寿命的结构。特别是，在所述阴极结构中，活性材料插入多孔碳结构中并且所述多孔碳结构的表面密集地涂覆有导电材料，从而使不带有集流体的阴极中的活性材料和导电材料的含量最大化。

技术领域

本发明涉及一种用于锂-硫电池的阴极。该阴极可具有用于充电/放电效率、充电容量和寿命改善的锂-硫电池的结构。特别是，该阴极可具有插入多孔碳结构中的活性材料并且该多孔碳结构的表面密集地涂覆有导电材料，从而使不带集流体(currentcollector)的阴极中的活性材料和导电材料的含量最大化。

背景技术

用于锂-硫电池的阴极通常通过制备其中导电材料、活性材料、粘合剂和溶剂混合在一起的浆料并随后在金属集流体上涂覆该浆料进行制造。

由于典型的用于锂-硫电池的阴极通过精确且定性的涂覆工艺制造，因此可以很好地作出在导电材料之间和在导电材料与活性材料之间的接触。然而，在制造电池单元之后，阴极在操作期间重复地充电和放电，因此，活性材料会变化。此外，由于活性材料的部分损失，会降低充电/放电效率和能量效率并且也会缩短电池单元的寿命。

为了解决此类问题，在相关技术中，已经开发了一种提供电极的技术，其中硫、粘合剂、导电材料和溶剂以浆料的形式混合来制造用于锂-硫电池的阴极，然后在金属集流体上浇铸和干燥。然而，在使用溶剂的湿法和不使用溶剂的干燥法这两种方法中，该技术具有硫和导电材料不能充分地混合以形成均匀接触面积这一问题。特别是，最近已经报道，均匀形式的包括活性材料和导电材料的阴极结构能够松散地保持，并且初始平衡状态可在充电和放电之后快速崩溃，从而引起锂-硫电池的寿命缩短(电化学学会杂志(Journal of TheElectrochemical Society)，159(8)A1226-A1229(2012))。例如，在锂-硫电池的阴极结构中，处于初始状态的包括相互均匀混合的活性材料和导电材料的均匀结构会因重复充电和放电而崩溃，并且因此会使硫洗脱，从而引起充电/放电容量的显著减小。

此外，在相关技术中，已经提供一种通过在由碳纤维制造的多孔集流体上涂覆阴极活性材料浆料而获得的用于锂-硫电池的阴极。此外，已经开发出一种通过使用碳毡在纤维导体上喷洒含有碳纳米管的溶液而将硫电极活性材料容纳在纤维导体内的方法。

此外，已经提供一种用于电池的电极结构。该电极结构可包括由细长纤维形成的多孔载体，且含有作为活性材料的硫，并且多孔载体的孔隙可部分地涂覆有导电材料。可选地，已经开发出一种具有其中作为阴极活性材料的硫(S)浸入由碳纤维织物形成的垫子中的结构的钠-硫电池。

然而，虽然上述相关技术中的技术，已经提出了将活性材料容纳在多孔集流体或载体或用于电池的电极中的导体内的技术，从而对提高充电/放电效率或容量取得了一些进展，但是活性材料的性能尚未充分最大化。例如，活性材料泄漏到载体或导体的外部会导致活性材料损失或导电性的稳定性降低。

此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此可能包含不形成为本领域普通技术人员所公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供解决上述与相关技术关联的技术困难的技术方案。例如，在本发明的用于锂-硫电池的阴极结构中，活性材料可插入多孔碳结构中，且密集的导电材料涂层可通过在多孔碳结构的表面上涂覆具有大比表面积的导电材料而形成，并且因此活性材料可有效地仅设置在电极内且活性材料的量不会从电极减少。因此，可使活性材料的利用率最大化，并且可使充电容量最大化，从而提高寿命。

一方面，本发明提供一种具有新颖结构的用于锂-硫电池的阴极。特别是，其中插入活性材料的多孔碳结构的表面可涂覆有导电材料。

另一方面，本发明提供一种改进的用于锂-硫电池的阴极且电极的表面可涂覆有具有大比表面积的导电材料，因此，电极中活性材料的量不会减少，从而使充电/放电容量最大化并提高锂-硫电池的寿命。