[发明专利]用于LI-S电池的活性电极材料

说明书

本发明涉及适于制造电极、特别地用于Li‑S电池的电极的活性材料。根据本发明的活性材料包括均匀地分散在硫材料的本体中的碳纳米填料，所述活性材料能够根据涉及在强机械能的存在下的熔化的方法获得。活性材料中碳纳米填料的量占1至25重量％，相对于活性材料的总重量。根据本发明的活性材料容许改善电极的配制物的电导率。本发明的另一方面为活性材料在电极中、特别地在Li‑S电池正极中的用途。

技术领域

本发明涉及Li/S电池的领域。更特别地，本发明涉及用于制造电极的活性材料，其包括均匀地(均质地)分散在基于硫的材料的主体中的基于碳的纳米填料，活性材料可根据通过熔化路线的方法获得。

背景技术

锂/硫电池(随后称作Li/S电池)由元素硫或另外的电活性的基于硫的材料的正极(阴极)、由锂金属或基于锂的金属合金形成的负极(阳极)、以及有机液态电解质组成。

典型地，正极由包括元素硫S₈(随后表示为天然(自然)硫)和任选地不同的添加剂的活性材料制备，所述活性材料与溶剂和粘合剂混合，从而形成糊料，将所述糊料施加至集流体且然后干燥以除去溶剂。使所形成的复合结构体任选地经过压缩阶段，然后切割成正极的所需尺寸。

Li/S电池通过如下得到：在正极上沉积隔板，以及然后将锂负极沉积在所述隔板上。随后，将通常包括溶解于溶剂中的至少一种锂盐的电解质引入电池中。

自2000年以来，Li/S电池已经成为众多研究的课题，并且被认为是常规的Li离子电池的有前景的替代者。这种电池的优点来自硫电极的高的体积存储容量，使得可实现范围可最高达500Wh.kg^-1的能量密度。此外，天然硫显示出丰富、成本低和无毒性的不可忽略的优点，其使得可设想大规模开发Li/S电池。

Li/S电池的放电和充电的机理是基于在正极处的硫的还原/氧化和在负极处的锂的氧化/还原

在放电期间，硫分子S₈被还原并且形成溶解于有机电解质中的通式Li₂S_n(n≥2)的锂多硫化物链。硫的还原的最后阶段由形成硫化锂Li₂S构成，其从有机电解质沉淀并且沉积在负极上。相反的电化学反应在充电时发生。

为了使电化学反应在电极处快速地发生，正极和负极必须总体上是良好的电子导体。事实上，由于硫为电子绝缘体(在25℃时，σ＝5.10^-30S.cm^-1)，放电速率相对慢。

设想了目标在于克服活性材料的该低电子传导性的多种改善路线，特别地添加电子传导添加剂，例如基于碳的导电材料。然而，如果硫/添加剂混合物不是最佳的或如果添加剂的含量太低，则在正极处的反应动力学仍然有限。

在导电添加剂中，通常使用炭黑、活性炭、碳纤维或碳纳米管。常规地使用炭黑。

活性材料和导电添加剂的混合可以多种方式进行。

例如，可在电极的制备期间直接进行混合。于是，在使电极成型之前，通过机械搅拌使硫与导电添加剂和粘合剂混合。由于该均质化阶段，认为基于碳的添加剂分布在硫颗粒周围，从而产生渗透网络。也可使用研磨阶段，并且其使得可获得材料的更紧密的混合。然而，该额外的阶段可导致电极的孔隙率的破坏。

将活性材料与基于碳的添加剂混合的另一种方法在于通过干式途径研磨硫和基于碳的添加剂，从而用碳包覆硫。

从相同的观点来看，通过在气相中沉积可在硫颗粒周围沉积碳。相反地，核-壳结构也可由其上沉积一层硫的炭黑制备，例如通过在炭黑纳米颗粒上沉淀硫。