长循环寿命的锂硫电化学电池的制作方法
【专利摘要】公开了用于电化学电池的基于硫的阴极以及长循环寿命的锂硫电化学电池。硫被掩蔽至阴极以增强阴极和电池的循环寿命。示例性的基于硫的阴极与固体聚合物电解质而不是常规的液体电解质耦合。干燥的固体聚合物电解质还用作硫的扩散屏障。固体聚合物电解质与阴极中的掩蔽基质一起阻止在常规的基于硫的液体电解质系统中发生的硫容量衰减。阴极中的掩蔽聚合物进一步结合含硫活性颗粒，阻止硫聚集物的形成，同时仍然允许锂离子在阳极和阴极之间运输。
【专利说明】长循环寿命的锂硫电化学电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年4月29日提交的美国临时专利申请61/817，248和2014年4月24日提交的美国专利申请14/260,918号的优先权，这两个专利申请在此通过引入方式并入。
【背景技术】
[0003]随着对技术产品诸如便携式电话、膝上型计算机和其它消费电子产品的全球需求的逐步增加，对可再充电电池的需求突飞猛进地增长。另外，对可再充电电池的兴趣被当前的发展绿色技术诸如电气栅格负载均衡装置和电动交通工具的努力点燃，其对具有高能量密度和长日历和循环寿命的可再充电电池创造了巨大的潜在市场。
[0004]对于便携式电子设备来说，Li离子电池是可再充电电池的最受欢迎的类型中的一些。Li离子电池提供高能量和功率密度并且在不使用时减缓电荷损失。另外，它们不遭受记忆效应。由于这些益处，Li离子电池已越来越多地用于防御、航空、备份存储器和运输应用中。
[0005]虽然推进锂离子电池的更好的性能和更低的成本，但是存在对锂离子电池的基本构造的小变化，并且特别是对电池电极的设计的小变化。多孔电极活性膜具有与聚合物粘合剂结合到一起的电极活性材料颗粒和导电颗粒。这种膜通常被沉积在金属集流体上。液体电解质渗透入多孔膜中。孔确保了电极活性材料和液体电解质之间存在用于电荷转移的大的表面积。
[0006]锂-硫对(lithium-sulfur couple)被研究，因为它们具有产生具有比常规的Li离子电池高的容量和高的能量的电池的潜力。然而，对于这些系统，存在许多问题。一个问题是硫极易溶解于典型的液体电解质中。在常规的基于硫的电化学电池系统中，阴极中的硫(例如，聚硫化物的形式)溶解于电解质中并且扩散到阳极，在阳极其与锂发生反应以形成锂硫化物。以还原态被捕获在阳极，硫不能被再氧化为原来的形式并且不能返回到阴极。这导致快速的容量衰减和高的阻抗，最终导致电池毁灭。
[0007]与锂-硫系统相关的另一个问题由电极的表面积的损失引起。在循环过程中，电极区域中的硫聚集成较大的颗粒，永久地改变了阴极的形态。形态的改变导致减小的离子和电子传导率。因此，由锂-硫对产生可行的电池系统尚不可能。
[0008]有用的是构造这样的电池，其中硫可被用作活性阴极材料以便利用硫可提供的高容量和高能量。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]当结合附图阅读时，技术人员将从以下的阐释性实施方式的描述中容易地领会前述方面和其它方面。
[0010]图1是电化学电池的正极的示意图。
[0011]图2是根据本发明的实施方式的电化学电池的示意图，所述电化学电池具有一个正极和一个负极。
[0012]图3是根据本发明的实施方式的电化学电池的示意图，所述电化学电池具有一个正极和一个不同的负极。
[0013]图4A是示例性的二嵌段共聚物分子的简化图示，所述二嵌段共聚物分子具有共价结合在一起的第一聚合物嵌段和第二聚合物嵌段。
[0014]图4B示出多个二嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域和由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域。
[0015]图4C示出二嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物材料。
[0016]图5A是示例性的三嵌段聚合物分子的简化图示，所述三嵌段聚合物分子具有第一聚合物嵌段、第二聚合物嵌段和与第一聚合物嵌段相同的第三聚合物嵌段，它们全部共价结合在一起。
[0017]图5B示出多个三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域、由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域和由第三聚合物嵌段组成的第一相的第三域。
[0018]图5C示出三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物。
[0019]图6A是另一种示例性的三嵌段共聚物分子的简化图示，所述三嵌段共聚物分子具有第一聚合物嵌段、第二聚合物嵌段和与其它两个聚合物嵌段中的任一个不同的第三聚合物嵌段，它们全部共价结合在一起。
[0020]图6B示出多个三嵌段共聚物分子如何能将自身布置为形成由第一聚合物嵌段组成的第一相的第一域、由第二聚合物嵌段组成的第二相的第二域和由第三聚合物嵌段组成的第三相的第三域。
[0021]图6C示出三嵌段聚合物分子如何能将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物。
【发明内容】
[0022]在本发明的一个实施方式中，公开了包括含硫的且掩蔽硫的基质、电传导剂和第一固体聚合物电解质的电极。含硫的且掩蔽硫的基质、电传导剂和第一固体聚合物电解质全部被混合在一起以形成电极活性膜。
[0023]在一种布置中，硫被物理掩蔽在掩蔽基质(sequestering matrix)中。掩蔽基质可含有PVDF或者掩蔽基质可含有第二固体聚合物电解质。在一些布置中，第一固体聚合物电解质和第二固体聚合物电解质是相同的。
[0024]在另一种布置中，硫被化学结合到掩蔽基质。掩蔽基质可含有一种或多种电传导材料，诸如炭黑、石墨、导电碳和导电聚合物。合适的导电聚合物的实例包括但不限于，聚噻吩、聚对苯乙炔(polyphenylene vinylene)、聚卩比咯、聚苯硫醚和环化的聚丙烯腈(即，具有环结构的聚丙烯腈)。
[0025]在本发明的一个实施方式中，阴极适合于与包括Li金属的阳极一起使用。在一种布置中，还存在邻近电极活性膜的集流体。在一种布置中，阴极不包含氟化聚合物。
[0026]在本发明的一个实施方式中，第一固体聚合物电解质和任选的第二固体聚合物电解质包括嵌段共聚物。固体聚合物电解质还可包括至少一种锂盐。
[0027]在本发明的另一个实施方式中，公开了具有如以上所描述的阴极、含锂的阳极和定位于阴极和阳极之间的固体聚合物电解质的电化学电池。阳极可以是具有薄的(<5um)单一的离子导体涂层的锂金属膜。
【具体实施方式】
[0028]本文的公开内容大体涉及电化学电池的设计。更具体地，本发明的实施方式提供锂-硫电极对和聚合物隔离物，它们相对于传统的锂-硫电池提供增强的能量和增加的循环寿命性能。
[0029]在本公开内容中，术语“负极”和“阳极”均用于表示“负极”。同样，术语“正极”和“阴极”均用于表示“正极”。
[0030]在本发明的一些实施方式中，本文公开的基于硫的电极和聚合物电解质隔离物系统的效力可归因于用作硫扩散屏障的基于聚合物的电解质材料。另外，电极设计使硫掩蔽在阴极中，使阴极中的活性材料的损失降到最低。因此，关于锂-硫电池的最重要的问题中的一些可得到解决。这样的具有基于硫的电极的电池提供了增强的能量和循环寿命性能。与含锂的阳极耦合的含硫的阴极和基于固体聚合物的电解质可制造可扩大地循环而没有显著的容量衰减的电化学电池。
[0031 ] 在本发明的一个实施方式中，示例性的基于硫的阴极与干燥的固体聚合物电解质而不是常规的液体电解质耦合。干燥的固体聚合物电解质用作硫在阴极内以及在阴极和阳极之间的扩散屏障，因此阻止硫的扩散，所述硫的扩散导致在常规的基于液体电解质的电池系统中发生的容量衰减。硫被物理掩蔽在阴极中，这阻止形成硫聚集物并且阻止硫渗入隔离物聚合物电解质中，同时仍然允许锂离子在阳极和阴极之间运输。在一个实施方式中，硫是元素硫的形式并且通过将其捕获在结晶聚合物诸如PVDF中而被物理掩蔽在阴极中。在另一个实施方式中，基于硫的活性材料由通过共价结合而被化学掩蔽到电传导材料的硫组成。这样的电传导材料的实例是炭黑、石墨和导电聚合物。合适的导电聚合物的实例是聚噻吩、聚对苯乙炔、聚吡咯、聚苯硫醚和环化的聚丙烯腈。
[0032]通常，基于固体聚合物电解质的锂-硫电化学电池可适合于增加集流体的利用率，减少非活性物重量和体积，并且降低制造成本，提供长的循环寿命和高的硫利用率。
[0033]图1是根据本发明的实施方式的电极组件100的横截面示意图，该电极组件100包括电极膜110和集流体140。电极膜110具有含硫的电极活性材料颗粒120，其嵌入固体聚合物电解质130的基质中，该固体聚合物电解质130的基质还含有小的电传导颗粒(如由小的灰色点所表示的)诸如炭黑。含硫(阴极)材料可被用于具有锂阳极或钠阳极的电化学电池中。在一种布置中，阳极是具有薄的(<5um)单一的离子导体涂层的锂金属膜。含硫阴极材料的实例包括但不限于，元素硫、有机硫、结合聚合物的硫和碳-硫组合物。固体聚合物电解质130可以是聚合物、共聚物或其共混物。在一种布置中，固体聚合物电解质130是嵌段共聚物电解质。在一种布置中，没有添加额外的粘合剂材料；电解质130使电极活性颗粒和电传导颗粒结合在一起并且可对电极膜110提供足够的机械完整性。嵌段共聚物电解质130包括离子传导相和结构相，使得全部嵌段共聚物电解质具有25°C下大于约IxlO5Pa的模量。在一些布置中，嵌段共聚物电解质130具有在25°C下大于约IxlO6Pa的模量。在一些布置中，嵌段共聚物电解质130具有在25°C下大于约IxlO7Pa的模量。在另一种布置中，电极膜110包含少量的额外的粘合剂材料，诸如聚(偏二氟乙烯)或其它氟化聚合物，以向膜110增加强度。
[0034]当使用固体聚合物电解质130时，电解质130不能从电极膜110泄露出来，并且不需要集流体140用作将液体电解质保持在电极膜110中的屏障。在本发明的一些实施方式中，电极膜110具有足以独立的机械完整性。这使其可能使用非常薄的或网状的金属集流体，这种集流体的仅有的功能是电传导，因此减少了电极组件100中的不需要的重量和体积。示例性的集流体材料包括铝和铜。
[0035]在一个实施方式中，硫阴极以类似于常规阴极的方式来制备。基于硫的活性材料与炭黑混合。含硫阴极材料的实例包括但不限于，元素硫、有机硫、结合聚合物的硫和碳-硫组合物。工艺包括均匀混合，这可通过高能球磨和/或通过将混合物加热到硫的熔点之上来实现。工艺包括将混合物添加到固体聚合物(例如，嵌段共聚物)电解质和盐在适当溶剂诸如NMP中的溶液中。工艺包括将溶液声处理和/或均质化以确保全部组分的均匀分布。工艺包括将溶液混合物浇铸在金属集流体诸如铝上。在其它实施方式中，硫阴极的制备可涉及其它技术，诸如基于硫的活性材料与炭黑和粘合剂的蒸汽沉积、压缩成型或挤出。形成电化学电池涉及干燥阴极以及使其与电解质层和阳极(诸如含有锂或钠的阳极)相互作用。
[0036]图2是根据本发明的实施方式的具有如以上图1中所描述的正极组件200的电化学电池202的横截面示意图。正极组件200具有正极膜210和集流体240。正极膜210具有含硫的正极活性材料颗粒220，其嵌入固体电解质230的基质中，该固体电解质230的基质还含有小的电传导颗粒(如由小的灰色点所表示的)诸如炭黑。固体聚合物电解质230可以是聚合物、共聚物或其共混物。在一种布置中，固体聚合物电解质230是嵌段共聚物电解质。存在正极集流体240，其可以是如以上所描述的连续的或网状的金属膜。存在负极260，其是金属层或金属合金层，诸如含有锂或钠的金属层或金属合金层，所述金属层或金属合金层既用作负极活性材料又用作负极集流体。在一种布置中(未显示)，负极是包括覆盖有固体聚合物电解质的负极材料的网状膜的负极组件。该固体聚合物电解质可以与正极组件200中的固体聚合物电解质230相同或者可以与其不同。存在填充有电解质的隔离物区250，该电解质提供正极膜210和负极260之间的离子连通。在一种布置中，隔离物区250包含固体电解质并且可以是与正极膜210中和/或负极组件中所用的相同的固体电解质(没有碳颗粒)。
[0037]图3是根据本发明的实施方式的具有如以上图1中所描述的正极组件300和负极组件305的电化学电池302的横截面示意图。正极组件300具有正极膜310和集流体340。正极膜310具有含硫的正极活性材料颗粒320，其嵌入固体聚合物电解质330的基质中，该固体聚合物电解质330的基质还含有小的电传导颗粒(如由小的灰色点所表示的)诸如炭黑。固体聚合物电解质330可以是聚合物、共聚物或其共混物。在一种布置中，固体聚合物电解质330是嵌段共聚物电解质。存在正极集流体340，其可以是如以上所描述的连续的或网状的金属膜。负极组件305具有负极膜315和集流体345。负极膜315具有负极活性材料颗粒325，其嵌入固体聚合物电解质335的基质中，该固体聚合物电解质335的基质还含有小的电传导颗粒(如由小的灰色点所表示的)诸如炭黑。固体聚合物电解质335可以是聚合物、共聚物或其共混物。在一种布置中，固体聚合物电解质335是嵌段共聚物电解质。电解质330、335可以是或者可以不是相同的。存在负极集流体345，其可以是如以上所描述的连续的或网状的金属膜。存在填充有电解质的隔离物区350，电解质提供正极膜310和负极膜315之间的离子连通。在一种布置中，隔离物区350包含固体电解质并且可以是与正极膜310中和/或负极膜315中所用的相同的固体电解质(没有碳颗粒)。在一种布置中，负极活性材料颗粒325是石墨。在另一种布置中，负极活性材料颗粒325是钛酸锂。
[0038]对于特定的应用，含硫电极中使用的材料组分的相对比可以变化。在一个实施方式中，示例性的电极活性膜包括50%至80%硫、15%至20%炭黑，和10%至35%嵌段共聚物。在一种布置中，阴极中的电传导剂是乙炔黑或本领域已知的其它碳。在一种布置中，阴极集流体具有小于约10微米的厚度。在另一种布置中，阴极集流体具有小于约5微米的厚度。集流体可具有栅格(grid)、网格(mesh)或半连续膜的形式。
[0039]在本发明的一个实施方式中，阴极不包括任何聚(偏二氟乙烯)。在一种布置中，阴极不包含任何氟化聚合物。
[0040]纳米结构化的嵌段共聚物电解质
[0041]如以上详细描述的，嵌段共聚物电解质可被用于本发明的实施方式中。
[0042]图4A是示例性的二嵌段共聚物分子400的简化图示，所述二嵌段共聚物分子400具有共价结合在一起的第一聚合物嵌段410和第二聚合物嵌段420。在一种布置中，第一聚合物嵌段410和第二聚合物嵌段420均是直链的聚合物嵌段。在另一种布置中，聚合物嵌段410、420的一个或两个具有梳形(或支链)结构。在一种布置中，聚合物嵌段均不是交联的。在另一种布置中，一个聚合物嵌段是交联的。在又一种布置中，两个聚合物嵌段均是交联的。
[0043]多个二嵌段共聚物分子400可将自身布置为形成由第一聚合物嵌段410组成的第一相的第一域415和由第二聚合物嵌段420组成的第二相的第二域425，如图4B中所示的。二嵌段共聚物分子400可将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物材料440，如图4C中所示的。域的大小或宽度可通过调节聚合物嵌段中的每个的分子量来调节。
[0044]在一种布置中，第一聚合物域415是离子导电的，并且第二聚合物域425对纳米结构化的嵌段共聚物提供机械强度。
[0045]图5A是示例性的三嵌段聚合物分子500的简化图示，所述三嵌段聚合物分子500具有第一聚合物嵌段510a、第二聚合物嵌段520和与第一聚合物嵌段510a相同的第三聚合物嵌段510b，它们全部共价结合在一起。在一种布置中，第一聚合物嵌段510a、第二聚合物嵌段520和第三共聚物嵌段510b是直链的聚合物嵌段。在另一种布置中，某些或全部聚合物嵌段510a、520、510b具有梳形(或支链)结构。在一种布置中，聚合物嵌段不是交联的。在另一种布置中，一个聚合物嵌段是交联的。在又一种布置中，两个聚合物嵌段是交联的。在又一种布置中，全部聚合物嵌段是交联的。
[0046]多个三嵌段聚合物分子500可将自身布置为形成由第一聚合物嵌段510a组成的第一相的第一域515a、由第二聚合物嵌段520组成的第二相的第二域525和由第三聚合物嵌段510b组成的第一相的第三域515b，如图5B中所示的。三嵌段聚合物分子500可将自身布置为形成多个重复的域525、515 (包含515a和515b两者)，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物540，如图5C中所示的。域的大小可通过调节聚合物嵌段中的每个的分子量来调节。
[0047]在一种布置中，第一和第三聚合物域515a、515b是离子导电的，并且第二聚合物域525对纳米结构化的嵌段共聚物提供机械强度。在另一种布置中，第二聚合物域525是离子导电的，并且第一和第三聚合物域515提供结构框架。
[0048]图6A是另一种示例性的三嵌段共聚物分子600的简化图示，所述三嵌段共聚物分子600具有第一聚合物嵌段610、第二聚合物嵌段620和与其它两个聚合物嵌段中的任一个不同的第三聚合物嵌段630，它们全部共价结合在一起。在一种布置中，第一聚合物嵌段610、第二聚合物嵌段620和第三共聚物嵌段630是直链的聚合物嵌段。在另一种布置中，某些或全部聚合物嵌段610、620、630具有梳形(或支链)结构。在一种布置中，聚合物嵌段不是交联的。在另一种布置中，一个聚合物嵌段是交联的。在又一种布置中，两个聚合物嵌段是交联的。在又一种布置中，全部聚合物嵌段是交联的。
[0049]多个三嵌段共聚物分子600可将自身布置为形成由第一聚合物嵌段610组成的第一相的第一域615、由第二聚合物嵌段620组成的第二相的第二域625和由第三聚合物嵌段630组成的第三相的第三域635，如图6B中所示的。三嵌段聚合物分子600可将自身布置为形成多个重复的域，由此形成连续的纳米结构化的嵌段共聚物640，如图6C中所示的。域的大小可通过调节聚合物嵌段中的每个的分子量来调节。
[0050]在一种布置中，第一聚合物域615是离子导电的，并且第二聚合物域625对纳米结构化的嵌段共聚物提供机械强度。第三聚合物域635提供额外的功能，所述功能可改进机械强度、离子导电率、化学或电化学稳定性，可使材料更易于处理，或者可对嵌段共聚物提供某些其他期望的性能。在其它布置中，单独的域可交换作用。
[0051]对以上描述的嵌段共聚物选择合适的聚合物是重要的以便实现期望的电解质性能。在一个实施方式中，导电聚合物(I)在与合适的盐诸如锂盐结合时展现出在电化学电池操作温度下至少1-5ScnT1的离子导电率；(2)对这样的盐是化学稳定的；以及(3)在电化学电池操作温度下是热稳定的。在一个实施方式中，结构材料在电化学电池操作温度下具有超过IxlO5Pa的模量。在一个实施方式中，第三聚合物⑴是橡胶样的，并且(2)具有低于操作温度和处理温度的玻璃化转变温度。如果全部材料是相互不可混溶的，则这是有用的。
[0052]在本发明的一个实施方式中，导电相可由直链的或支链的聚合物制成。可用于导电相中的导电的直链的或支链的聚合物包括但不限于，聚醚、聚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、碳酸烃基酯、聚腈及其组合。导电的直链的或支链的聚合物还可与聚硅氧烷、聚膦嗪(polyphosphazines)、聚烯烃和/或聚二烯结合使用以形成导电相。
[0053]在另一种示例性的实施方式中，导电相由具有主链和侧链基团的梳形(或支链的)聚合物组成。可用于这些聚合物中的主链包括但不限于，聚硅氧烷、聚膦嗪、聚醚、聚二烯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯及其组合。可被使用的侧链包括但不限于，低聚醚、被取代的低聚醚、腈基团、砜、硫醇、聚醚、聚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、碳酸烃基酯、聚腈、其它极性基团及其组合。
[0054]关于可用于导电相中的聚合物的另外的细节可在2009年5月27日提交的国际专利申请第PCT/US09/45356号、2009年8月22日提交的国际专利申请第PCT/US09/54709号、2010年I月14日提交的国际专利申请第PCT/US10/21065号、2010年I月14日提交的国际专利申请第PCT/US10/21070号、2009年2月26日提交的美国国际专利申请第PCT/US10/25680号以及2009年2月26日提交的美国国际专利申请第PCT/US10/25690号中找至IJ，其全部在此通过引用方式被包括。
[0055]对可用于嵌段共聚物电解质中的电解质盐没有特别的限制。可使用包括被确定为对应用来说最合适的电荷载体的离子的任何电解质盐。特别有用的是使用在聚合物电解质中具有大的离解常数的电解质盐。
[0056]合适的实例包括碱金属盐，诸如Li盐。有用的Li盐的实例包括但不限于，LiPF6、LiN (CF3502) 2、Li (CF3502) 3C、LiN (SO2CF2CF3) 2、LiB (C2O4) 2、B12FXH12_X, B12F12,及其混合物。
[0057]在本发明的一个实施方式中，单一的离子导体可以与电解质盐一起使用或者代替电解质盐使用。单一的离子导体的实例包括但不限于，磺酰胺盐、基于硼的盐和硫酸盐组。
[0058]在本发明的一个实施方式中，结构相可由以下组成:聚合物，诸如聚苯乙烯、氢化聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基环己烷、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯、聚烯烃、聚(叔丁基乙烯基醚)、聚(甲基丙烯酸环己基酯)、聚(环己基乙烯基醚)、聚(叔丁基乙烯基醚)、聚乙烯，碳氟化合物，诸如聚偏二氟乙烯，或包含苯乙烯、甲基丙烯酸酯或乙烯基吡啶的共聚物。
[0059]额外的物质可被添加到纳米结构化的嵌段共聚物电解质中以增加离子导电率，增强机械性能，或增强可能是希望的任何其它性能。
[0060]纳米结构化的嵌段共聚物电解质材料的离子导电率可通过在离子导电相中包括一种或多种添加剂来改进。添加剂可通过降低结晶度、降低熔解温度、降低玻璃化转变温度、增加链流动性或这些方面的任何组合来改进离子导电率。高介电的添加剂可帮助盐的离解、增加可用于离子运输的Li+离子的数目并且减少体积大的Li+[盐]复合物。削弱Li+和PEO链/阴离子之间的相互作用由此使Li+离子更易于扩散的添加剂可被包括在导电相中。增强离子导电率的添加剂可被广泛地分类为以下种类:低分子量导电聚合物、陶瓷颗粒、室温离子液体(RTIL)、高介电有机增塑剂和路易斯酸。
[0061]其它添加剂可被用于本文描述的聚合物电解质中。例如，可以使用帮助过充电保护、提供稳定的SEI (固体电解质界面)层和/或改进电化学稳定性的添加剂。这样的添加剂对于本领域普通技术人员来说是熟知的。也可使用使聚合物更易于处理的添加剂，诸如增塑剂。
[0062]关于嵌段共聚物电解质的另外的细节描述于2008年10月I日提交的美国专利申请第12/225934号、2008年11月14日提交的美国专利申请第12/2711828号和2009年I月16日提交的国际专利申请第PCT/US09/31356号中，其全部在此通过引用方式被包括。
[0063]本发明的实施方式在此相当详细地被描述以对本领域技术人员提供与应用新颖的原则并且如所需要地构造和使用这些专门的组分相关的信息。然而，应理解，本发明可通过不同的设备、材料和装置来实施，并且关于设备和操作程序的不同的改良可在不偏离本发明自身的范围的情况下完成。
【权利要求】
1.一种电极,包括: 含硫的且掩蔽硫的基质； 电传导剂；和 第一固体聚合物电解质； 其中所述含硫的且掩蔽硫的基质、所述传导剂和所述第一固体聚合物电解质全部被混合在一起以形成电极活性膜。
2.如权利要求1所述的电极，其中所述硫被物理掩蔽在所述掩蔽基质中。
3.如权利要求2所述的电极，其中所述掩蔽基质包括PVDF。
4.如权利要求2所述的电极，其中所述掩蔽基质包括第二固体聚合物电解质。
5.如权利要求4所述的电极，其中所述第一固体聚合物电解质和所述第二固体聚合物电解质是相同的。
6.如权利要求1所述的电极，其中所述硫被化学结合到所述掩蔽基质。
7.如权利要求6所述的电极，其中所述掩蔽基质包括一种或多种电传导材料。
8.如权利要求7所述的电极，其中所述电传导材料包括选自由炭黑、石墨、导电碳和导电聚合物组成的组的一种或多种。
9.如权利要求6所述的电极，其中所述电传导材料包括选自由聚噻吩、聚对苯乙炔、聚吡咯、聚苯硫醚和环化的聚丙烯腈组成的组的聚合物。
10.如权利要求1所述的电极，其中所述电极是阴极并且适合于与包括Li金属的阳极一起使用。
11.如权利要求1所述的电极，还包括集流体，所述集流体邻近所述电极活性膜。
12.如权利要求1所述的电极，其中所述电极不包含氟化聚合物。
13.如权利要求1所述的电极，其中所述第一固体聚合物电解质还包括至少一种锂盐。
14.如权利要求1所述的电极，其中所述第一固体聚合物电解质包括嵌段共聚物。
15.如权利要求14所述的电极，其中所述嵌段共聚物是二嵌段共聚物或三嵌段共聚物。
16.如权利要求15所述的电极，其中所述嵌段共聚物的第一嵌段是离子导电的并且选自由聚醚、聚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、碳酸烃基酯、聚腈、聚硅氧烷、聚膦嗪、聚烯烃、聚二烯及其组合组成的组。
17.如权利要求15所述的电极，其中所述嵌段共聚物的第一嵌段包括离子导电的梳形聚合物，所述梳形聚合物包括主链和侧链基团。
18.如权利要求17所述的电极，其中所述主链包括选自由聚硅氧烷、聚膦嗪、聚醚、聚二烯、聚烯烃、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯及其组合组成的组的一种或多种。
19.如权利要求17所述的电极，其中所述侧链包括选自由低聚醚、被取代的低聚醚、腈基团、砜、硫醇、聚醚、聚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、碳酸烃基酯、聚腈、其它极性基团及其组合组成的组的一种或多种。
20.如权利要求15所述的电极，其中所述嵌段共聚物的第二嵌段选自由以下组成的组:聚苯乙烯、氢化聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基环己烷、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯、聚烯烃、聚(叔丁基乙烯基醚)、聚(甲基丙烯酸环己基酯)、聚(环己基乙烯基醚)、聚(叔丁基乙烯基醚)、聚乙烯、碳氟化合物、聚偏二氟乙烯，和包含苯乙烯、甲基丙烯酸酯和/或乙烯基吡啶的共聚物。
21.—种电化学电池，包括 阴极，其包括: 含硫的且掩蔽硫的基质； 电传导剂；和 第一固体聚合物电解质； 其中所述含硫的且掩蔽硫的基质、所述电传导剂和所述第一固体聚合物电解质全部被混合在一起以形成电极活性膜； 阳极，其包括锂；和 第二固体聚合物电解质，其定位于所述阴极和所述阳极之间并且在其之间提供离子连通。
22.如权利要求21所述的电池，其中所述阳极包括锂金属膜，所述锂金属膜具有厚度小于5um的单一的离子导体涂层。
23.如权利要求21所述的电池，其中所述阴极包括按重量计在约30%和80%之间的硫O
24.如权利要求21所述的电池，其中所述第一固体聚合物电解质和所述第二固体聚合物电解质是相同的。
25.如权利要求21所述的电池，其中所述阴极不包含氟化聚合物。
【文档编号】H01M10/052GK104241677SQ201410178253
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2013年4月29日
【发明者】H·B·埃陶尼, M·辛 申请人:西奥公司