[发明专利]形状适形的碱金属-硫电池

说明书

提供了一种碱金属‑硫电芯，所述碱金属‑硫电芯包括：(a)准固体阴极，所述准固体阴极含有按体积计约30％至约95％的阴极活性材料(含硫材料)、按体积计约5％至约40％的含有溶解在溶剂中的碱金属盐和溶解、分散在所述溶剂中或被所述溶剂浸渍的离子传导聚合物的第一电解质、和按体积计约0.01％至约30％的导电添加剂，其中所述含有导电长丝的导电添加剂形成电子传导通路的3D网络，由此使得所述准固体电极具有从约10^‑6S/cm至约300S/cm的电导率；(b)阳极；以及(c)设置在所述阳极与所述准固体阴极之间的离子传导膜或多孔隔膜；其中所述准固体阴极具有从200μm至100cm的厚度和具有大于10mg/cm²的活性材料质量负载量的阴极活性材料。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月2日提交的美国专利申请号15/612,497和2017年6月2日提交的美国专利申请号15/612,537的优先权，所述专利申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及碱金属-硫电池领域，包括可再充电锂金属-硫电池、钠金属-硫电池、锂离子-硫电池、和钠离子-硫电池。

背景技术

可再充电锂离子(Li-离子)和锂金属电池(包括Li-硫和Li金属-空气电池)被认为是用于电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和便携式电子装置，如膝上型计算机和手机的有前途的电源。与作为阳极活性材料的任何其他金属或金属插层化合物(除具有4,200mAh/g的比容量的Li_4.4Si之外)相比，作为金属元素的锂具有最高容量(3,861mAh/g)。因此，通常，Li金属电池具有比锂离子电池显著更高的能量密度。

在历史上，可再充电锂金属电池是使用具有相对高的比容量的非锂化化合物如TiS₂、MoS₂、MnO₂、CoO₂、和V₂O₅作为阴极活性材料生产的，这些阴极活性材料与锂金属阳极耦合。当电池放电时，锂离子通过电解质从锂金属阳极转移到阴极，并且阴极变得锂化。不幸的是，在重复充电/放电时，锂金属导致阳极处形成枝晶，这些枝晶最终生长到穿透隔膜，引起内部短路和爆炸。由于与这一问题有关的一系列事故，在二十世纪九十年代早期停止了这些类型的二次电池的生产，取而代之的是锂离子电池。

在锂离子电池中，碳质材料取代纯锂金属片或膜作为阳极。碳质材料分别在锂离子电池运行的再充电阶段和放电阶段期间吸收锂(例如通过在石墨烯平面之间锂离子或原子的插层)和解吸锂离子。碳质材料可以主要包括可以用锂插层的石墨，并且所得石墨插层化合物可以表示为Li_xC₆，其中x典型地小于1。

虽然锂离子(Li-离子)电池是用于电驱动车辆的有前途的储能装置，但当今技术水平的Li-离子电池尚未满足成本和性能目标。Li离子电芯典型地使用锂过渡金属氧化物或磷酸盐作为相对于碳负电极(阳极)在高电势下脱插层/重新插层Li⁺的正电极(阴极)。基于锂过渡金属氧化物或磷酸盐的阴极活性材料的比容量典型地在从140-170mAh/g的范围内。其结果是，可商购的Li离子电芯的比能量典型地在从120-250Wh/kg的范围内、最典型地在150-220Wh/kg的范围内。这些比能量值比使电池供电的电动车辆被广泛接受所要求的比能量值低两到三倍。