锂硫电池的阳极结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及将硫分别加载到现有的阳极结构和碳结构层中的锂硫电池的阳极。
【背景技术】
[0002]锂硫电池具有远高于锂离子电池(理论上的能量密度570Wh/kg，当前水平约120ffh/kg)的理论能量密度2600Wh/kg。
[0003]然而，作为活性材料的硫和作为产品的硫化锂(Li2S)均是绝缘体，因而在放电期间降低了能量容量。
[0004]当不能充分地确保电极内的硫的反应面积时，硫利用率降低而导致放电容量减少，并且当Li2S在放电期间局部聚集在正极内时，电极内的电阻增加而导致放电容量减少。具体而言，由于用于能量密度增加的硫的加载量变得更大，并且由于用于输出改善的电流密度增加，因此这样的现象加剧。
[0005]然而，由于电动车辆(EV)用的电池需要具有大的绝对容量，因此高硫加载电极(8mg/cm2或更大)对于在给定空间内储存大量能量而言是必要的。另外，为了满足所需的输出规格，即使在高电流密度下也需要在电极内的放电电压未减小的情况下获得足够的容量(1200mAh/g。或更大)。
[0006]在开发具有这样的属性的锂硫电池中，设计阳极结构以便增加硫的反应面积并且到处均匀地产生Li2S对于增加能量容量是非常重要的。根据现有技术的硫被很高地加载在锂硫电池的阳极中。
[0007]参见图1，用于包括根据现有技术的高加载硫而具有高电流密度的锂硫电池的阳极结构可以归类为如下3种类型。
[0008]在类型I中，因通过乳制而增加被覆片密度导致体积能量密度增加，因此，电极制造工艺是简单的并且能够进行批量生产。
[0009]然而，因较窄的硫反应面积而导致电池容量减小，并且因Li2S的局部聚集而导致电池容量减小和寿命特性降低。此外，因不充分的电解质更换而导致电池容量减小和寿命特性降低。
[0010]在类型2中，由于电解质更换充分，因此提高了电池容量和寿命特性，并且由于硫反应面积增加，因此也提高了电池容量。然而，由于使用了厚重的碳结构层，因此减小了能量密度。
[0011]最后，在类型3中，由于电解质更换充分，因此提高了电池容量和寿命特性，并且由于硫反应面积增加，因此也提高了电池容量。另外，由于类型3比类型2要薄，因此相比于类型2，提高了能量密度。然而，由于不可能进行碳结构层的乳制，因此减小了体积能量密度，并且由于Li2S局部聚集，因此电池容量减小和寿命特性降低。此外，因复杂的工艺而导致难以大批量生产。
【发明内容】
[0012]本公开试图解决上述现有的锂硫电池阳极结构的问题。本发明的构思的方面提供一种阳极结构，其能够进行硫阳极的乳制，具有充分的电解质更换，并且在不浸渍过多的硫的情况下维持高能量密度。
[0013]根据本发明的构思的示例性实施方式，锂硫电池的阳极结构包括层叠在铝箔上的硫阳极、以及设置在硫阳极与浸渍有硫的碳结构层之间的碳涂层。硫阳极包括硫、导体和粘合剂。浸渍有硫的碳结构层是与对电极分隔的聚酯(PE)分隔膜。阳极结构内的硫的加载量分散于硫阳极和浸渍有硫的碳结构层。
【附图说明】
[0014]现在将参照附图中所示的本发明的某些示例性实施方式详细描述本发明的上述及其他特征，所述附图仅通过说明的方式在下面给出且因此不限制本发明。
[0015]图1是可以被分成3种类型的锂硫电池的现有阳极结构的模拟图。
[0016]图2是本发明构思的锂硫电池的阳极结构的模拟图。
[0017]图3是示例I至3的锂硫电池的模拟图。
[0018]图4是示例I至3的使用阳极的纽扣电池的主要充电和放电曲线的图表。
[0019]应该理解，附图不一定要依比例，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种优选特征的稍微简化的表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。在附图中，附图标记在附图的几幅图中始终指代本发明的相同或等效部分。
【具体实施方式】
[0020]下文将详细参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示并在下文描述。尽管将结合示例性的实施方式说明本发明，但应理解，本说明书不是要将本发明限制到这些示例性的实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性的实施方式，还要涵盖包括在所附权利要求所限定的本发明的思想和范围内的各种选择、修改、等效物及其它实施方式。
[0021]本公开提供一种锂硫电池的阳极结构，其包括层叠在铝箔上的硫阳极、以及设置在硫阳极与浸渍有硫的碳结构层之间的碳涂层。硫阳极包括硫、导体和粘合剂。浸渍有硫的碳结构层是与对电极分隔的聚酯(PE)分隔膜。阳极结构内的硫的加载量分散于硫阳极和浸渍有硫的碳结构层。
[0022]硫阳极可以通过被乳制成具有lg/cc以上(2g/cc以下)的被覆片密度来致密地制造。
[0023]导体可以是选自石墨、超级碳(Super C，TIMCAL公司的产品)、气相生长碳纤维、科琴黑、登卡(denka)黑、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、多壁碳纳米管和有序介孔炭中的一种或多种类型。粘合剂可以是选自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯-聚偏二氟乙烯共聚物、聚丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)，以及它们的衍生物、混合物和聚合物中的一种或多种类型。然而，导体和粘合剂并不限制于此，并且包括能够被认为用于本公开的技术领域的所有成分。
[0024]碳涂层可以制造为选自超级碳、气相生长碳纤维、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、多壁碳纳米管和有序介孔炭中的一种或多种类型。浸渍有硫的碳结构层可以形成具有选自碳纤维、科琴黑和乙炔黑中的一种或多种碳材料的结构层。
[0025]由于硫可以分别加载到硫阳极和浸渍有硫的碳结构层中，因此，作为阳极结构中的硫的加载量，硫阳极可以包含0.5至0.7mg/cm2的硫，并且浸渍有硫的碳结构层可以包含0.5 至 0.7mg/cm2的硫。
[0026]以下，将更详细地描述本公开。
[0027]本公开的阳极结构将硫分别加载至阳极和碳结构层中，以便增加作为活性材料的硫的利用率，并且防止作为产品的Li2S的局部聚集。
[0028]本公开的锂硫电池的阳极结构可以乳制或致密地制造硫阳极(lg/cc以上，2g/cc以下的被覆片密度)，因此，可以提高电池的体积能量密度。
[0029]另外，Li2S可以通过分成硫阳极、碳涂层以及碳结构层而产生，因此减少了因Li2S再生导致的穿梭现象(shuttle phenomenon)。
[0030]碳结构层可以实现电解质更换的作用，因此，由于不需要大量硫浸渍在碳结构层中，因此工艺变得简单。
[0031]实施例
[0032]以下，将参考下面的实施例更详细地描述本公开，然而，这些实施例仅用于示例的目的，并不是限制或约束本公开所要保护的范围。
[0033]实施例(参见图3)
[0034]样品#1通过将均匀混合的阳极浆料(导体、硫、粘合剂、溶剂)涂覆在铝箔上并接着进行干燥来制作，这是用于制造锂硫电池用的阳极的基本方法。
[0035]样品#2通过以与样品#1同样的方式制作阳极并接着将与碳涂层一体的碳结构层(例如，GDL)置于阳极上来制备。
[0036]样品#3通过与样品#1同样地将一定量的均匀混合的阳极浆料涂覆在铝箔上并且通过将剩余的浆料浸渍在GDL的内侧来制作。
[0037]测试结果(参见图4)
[0038]样品#1由于不存在碳结构层，因此即使具有作为样品的最低量的6.4mg/cm2的硫加载量，也并未有效地更换电解质，并且表现出因不充分的硫反应面积而导致的低放电电压和容量。因此，期望具有8.0mg/cm2以上的硫加载量的电极表现出更低的电压和容量。
[0039]在样品#3中，硫分别被加载到阳极和碳结构层中，当以200mA/g。的高电流密度放电时，获得1271mAh/g。的容量。另外，相比于大量的硫仅加载到阳极中的样品#2，表现出更高的放电压力。这表示随着接触电解质的硫的量的增加，更多的硫能够参与反应。此夕卜，这证实了通过全局均匀而非局部地产生Li2S，阳极内的电阻在放电期间得以减小。作为结论，通过根据功能划分电极并且分别加载硫可以提高能量容量。
[0040]本发明的锂硫电池的阳极结构可以乳制或致密地制造硫阳极(lg/cc以上，2g/cc以下的被覆片密度)，因此，可以提高电池的体积能量密度。
[0041]另外，Li2S可以通过分成硫阳极、碳涂层和碳结构层而产生，因此因Li2S再生导致的穿梭现象减少。
[0042]碳结构层可以实现电解质更换的作用，因此，由于不需要大量的硫浸渍在碳结构层中，因此工艺变得简单。
【主权项】
1.一种锂硫电池的阳极结构，包括: 层叠在铝箔上的硫阳极；以及 设置在所述硫阳极与浸渍有硫的碳结构层之间的碳涂层， 所述硫阳极包括硫、导体和粘合剂， 所述浸渍有硫的碳结构层是与对电极分隔的聚酯(PE)分隔膜，并且 所述阳极结构内的硫的加载量分散于所述硫阳极和所述浸渍有硫的碳结构层。2.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述硫阳极乳制成具有大于或等于lg/cc且小于或等于2g/cc的被覆片密度。3.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述导体为选自石墨、超级碳、气相生长碳纤维、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、多壁碳纳米管和有序介孔炭中的一种或多种类型。4.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述粘合剂为选自聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚环氧乙烧、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯、聚六氟丙烯-聚偏二氟乙烯共聚物、聚丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯橡胶(SBR)，以及它们的衍生物、混合物和聚合物中的一种或多种类型。5.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述碳涂层为选自超级碳、气相生长碳纤维、科琴黑、登卡黑、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、多壁碳纳米管和有序介孔炭中的一种或多种类型。6.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述浸渍有硫的碳结构层形成具有选自碳纤维、科琴黑和乙炔黑中的一种或多种类型的碳材料的结构层。7.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述硫阳极包含0.5至7.0mg/cm2的硫。8.根据权利要求1所述的阳极结构，其中， 所述浸渍有硫的碳结构层包含0.5至7.0mg/cm2的硫。
【专利摘要】本公开提供一种锂硫电池的阳极结构，其包括层叠在铝箔上的硫阳极、以及设置在硫阳极与浸渍有硫的碳结构层之间的碳涂层。硫阳极包括硫、导体和粘合剂。浸渍有硫的碳结构层是与对电极分隔的聚酯(PE)分隔膜。阳极结构内的硫的加载量分散于硫阳极和浸渍有硫的碳结构层。
【IPC分类】H01M4/587, H01M4/38, H01M4/13
【公开号】CN105047856
【申请号】CN201410852976
【发明人】朴相镇, 柳熙渊, 李允智, 禹熙晋
【申请人】现代自动车株式会社
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2014年12月31日
【公告号】DE102014226934A1, US20150311489