[发明专利]基于有机硫物种的电池

说明书

制备了金属‑硫电池，如锂‑硫电池，其制备使用一种或多种有机硫物种如有机多硫化物和有机多硫醇盐作为液体或凝胶电解质溶液的一部分，作为阴极的一部分，和/或作为提供中间隔板元件的官能化的多孔聚合物的一部分。

分案申请说明

本申请系申请日为2013年04月09日、国际申请号为PCT/US2013/035716、进入中国国家阶段后的国家申请号为201380019831.7、题为“基于有机硫物种的电池”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及以下电池，这些电池具有基于钠、锂或其混合物或者钠和/或锂与一种或多种其他金属的合金或复合材料的阳极，与基于元素硫、硒或元素硫属元素混合物的阴极，该阳极和阴极被隔板元件分隔，导电盐溶于非水的极性非质子溶剂或聚合物中的液体或凝胶电解质溶液与电极接触。

发明背景

电化学电池是用于存储和提供电能的主要手段。由于电子，运输和网格存储应用对能源的需求不断增加，在未来对具有更强蓄电和传递能力的电池的需求将继续保持。

由于与其他类型的电池相比，锂离子电池重量轻和高能量存储能力，自20世纪90年代初锂离子电池已被广泛用于便携式电子应用。然而，目前的锂离子电池技术并不能满足大型应用，如网格存储或行驶距离可与内燃机汽车竞争的电动汽车的高功率和能源需求。因此，科学和技术界广泛努力继续识别具有更高能量密度和容量的电池。

钠-硫和锂-硫电化学电池提供甚至比锂离子电池更高的理论能量容量，并且因此继续作为“下一代”电池系统而引起关注。元素硫到单体硫化物(S^2-)的电化学转变提供1675mAh/g的理论容量，相比锂离子电池的小于300mAh/g。

钠-硫电池已经开发和推出作为商用系统。不幸的是，钠-硫电池通常需要高温(300℃以上)来工作，并且因此只适合用于大型固定应用。

锂-硫电化学电池(最初在20世纪50年代后期和60年代提出的)现在正在开发作为商业电池系统。这些电池提供的理论比能量密度超过2500Wh/kg(2800Wh/L)相对于锂离子的624Wh/g。Li-S电池所表现出的比能量密度是在250Wh/kg-350Wh/kg的范围内(相比锂离子电池的100Wh/g)，较低的数值是在充电和放电过程中这些系统的电化学过程的特定功能的结果。考虑到锂离子电池的实际比能通常是理论值的25％至35％，Li-S系统的最佳实际比能为约780Wh/g(理论值的30％)。[V.S.Kolosnitsyn,E.Karaseva，美国专利申请2008/0100624A1]

锂-硫化学提供了阻碍这些电化学电池发展的大量技术挑战，特别是不良的放电-充电循环性能。然而，由于锂-硫电池固有的低重量、低成本和高容量，对于改善锂-硫系统的性能存在极大的兴趣，在过去20年中世界各地许多研究人员进行了大量的工作来解决这些问题。[C.Liang等人在Handbook of Battery Materials 2^nd Ed.[电池材料手册第2版]，第14章，第811-840页(2011)；V.S.Kolosnitsyn等人，J.Power Sources[能源期刊]2011,196,1478-82；和其参考文献。]

锂-硫系统的电池设计通常包括：

·一个阳极，其组成为锂金属、锂合金或含有锂的复合材料。

·在该阳极和阴极之间的一个非反应性但多孔的隔板(通常是聚丙烯或β-氧化铝)。此隔板的存在导致分隔的阳极电解质液隔室和阴极电解质液隔室。

·并入粘合剂(常为聚偏二氟乙烯)和导电增强材料(通常是石墨、中孔石墨、多壁碳纳米管、石墨烯)中的一种多孔含硫阴极，