[发明专利]硫化锂电极和方法

说明书

本发明示出了硫化锂‑碳复合材料和方法。在一个实例中，硫化锂‑碳复合材料被用作电池(诸如锂离子电池)中的电极。

相关申请

本申请要求2015年8月13日提交的题目为“硫化锂电极和方法”的美国临时专利申请号62/204,871的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及用于电池电极的材料，并且具体涉及用于含有硫化锂的电池电极的材料及其方法。在一个实例中，本发明涉及硫化锂碳复合材料。

背景技术

可再充电的锂离子(Li离子)电池技术的发明已经在过去几十年中设立了能量储存的标准，用于向便携式电话、计算机和电动汽车供电。尽管对于提供更快的数据通信、增加的计算能力、更亮和更高分辨率的显示器的设备以及具有更长的范围、更好的性能、更短的充电时间、减小的重量和更低的成本的电池的需求随着时间日益增长，但是锂离子电池的容量和发展并没有与这种需求的增长保持同步。

由于当前Li离子电池技术的局限性变得更加明显，因此对可替代的可再充电电池技术的需求变得更加关键。当前的Li离子电池技术的有吸引力的替代方案的一个实例是锂硫(Li-S)电池技术，因为它通过使用硫而具有更高的能量容量和成本降低的潜力。大多数Li离子电池的能量容量在150至250Wh/kg的范围内，而Li-S电池可以提供400+Wh/kg的能量容量。因此，与当前的Li离子电池相比，Li-S电池能够具有更高的电池级(和电池组级)容量。

然而，由于许多众所周知的技术挑战，所以目前缺乏可商购的Li-S电池。大多数Li-S电池的主要缺点之一是不合需要的与电解质的反应，因为将中间体多硫化物溶于电解质会引起活性硫的不可逆损失。

另一个问题是硫系阴极材料的广泛使用，其需要使用锂金属阳极作为Li-S电池的锂源。由于电池内部短路，锂金属阳极可能倾向于发生能够引起热失控的枝状结构生长。另外，使用锂阳极，并且特别是对于Li-S电池，能够导致不希望的副反应，因为多硫化物在被称为穿梭机制的现象中在电极之间来回扩散，因而由于锂腐蚀和硫氧化而降低了充电-放电效率和循环稳定性。此外，由于锂对水分和空气(氧气和氮气)十分活泼，所以商业锂阳极(典型为Li薄箔)需要复杂的工艺(纯化、挤出、钝化等)，因此使用锂金属不具有成本效益。

本公开内容通过使用连续和可规模化的(scalable)气溶胶喷雾热解(ASP)方法来形成硫化锂-碳复合材料以为这些问题提供解决方案，所述硫化锂-碳复合材料与硫相比可以是优异的阴极材料，这是因为所得材料结构减轻了由于活性硫材料的损失而引起的容量衰减。另外，当使用硫化锂作为阴极材料时，在锂硫电池中可以使用非锂高容量阳极材料，诸如锡基材料和硅基材料。因此，使用如本文所述的硫化锂阴极材料还可以最小化或防止与使用锂金属阳极有关的上述缺点。

用于合成硫化锂的其它可能的方法可能不是可规模化的或者为所需功能性提供合理设计的材料结构。例如，通过球磨硫化锂和碳以及常规硫阴极材料的锂化来合成硫化锂。然而，与先前方法相比，本公开内容的硫化锂阴极材料可以提供用于在电池(例如，Li离子电池、Li-S电池等)中使用的优异材料。例如，由于ASP方法允许使硫化锂更均匀地分散在碳基质中，因此可以改进电荷转移过程的动力学以导致改进的倍率性能(以更快的速率放电和充电的能力)。碳基质中均匀的硫化锂分散体也能够有效地避免锂多硫化物的溶解，从而缓解穿梭机制。

为了更好地说明本文公开的封装方法和系统，此处提供了非限制性实例的清单：

实例1可以包括用于形成电池电极的主题(诸如方法)。该方法可以包括形成包括硫化锂前体和碳前体的前体溶液；将所述前体溶液转化成气溶胶；从所述气溶胶中除去水以形成前体颗粒；在第一反应温度下使所述前体颗粒反应以形成碳酸锂；以及使碳酸锂与硫化氢反应以形成硫化锂-碳复合材料。

在实例2中，实例1的主题可以任选地被配置为包括使一定量的硫化锂-碳复合材料成形为电极。