锂硫电池的硫正极及其生产方法_2

文档序号:8432614阅读:来源:国知局
的总重 量,约40至85wt %的量的硫、约10至50wt %的量的导电材料、约2至25wt %的量的非水性 面接触粘结剂和约2至25wt%的量的水性点接触粘结剂。
[0027] 在示例性实施方式中,可以通过使用超声波分散所述一次复合物并将所述一次复 合物与导电材料、第二溶剂和水性点接触粘结剂混合来制备二次浆料。
[0028] 在示例性实施方式中,将所述二次浆料涂覆在正极板上。
[0029] 下文讨论了本发明的其它方面和优选的实施方式。
【附图说明】
[0030] 现将参考其一些示例性实施方式和所示附图来详细描述本发明的以上和其它特 征,这些附图在下文中仅通过举例说明给出,并因此不是对本发明的限制,并且其中:
[0031] 图1示意地显示了在用于锂硫电池的常规正极粘结剂中可以进行非水性面接触 的示例性粘结剂;
[0032] 图2示意地显示了在用于锂硫电池的常规正极粘结剂中可以进行水性点接触的 粘结剂;
[0033] 图3示意地显示了其中根据本发明的示例性实施方式的两种类型的粘结剂可以 与锂硫电池的正极活性物质接触的示例性图案(左侧);和其中两种类型粘结剂可以进行 根据本发明的示例性实施方式的点接触或面接触的示例性图案(右侧);以及
[0034] 图4是显示根据本发明的示例性实施方式在实施例中描述的样品1和2的放电曲 线的示例性图。
[0035] 应当理解附图不必需是按比例的,其提供了显示本发明基本原理的多个优选特征 的一定程度的简化图示。将通过特定预期应用和使用环境来部分确定如本文所公开的本发 明的具体设计特征,其包括,例如,具体尺寸、取向、位置和形状。
[0036] 在附图中,参考标号在整个几个附图中表示本发明的相同或等价部分。
【具体实施方式】
[0037] 在一个方面,本发明提供了锂硫二次电池的正极组合物,其可以包括:硫、导电材 料、非水性面接触粘结剂和水性点接触粘结剂。
[0038] 在一些实施方式中,所述硫可以是硫颗粒,并且所述导电材料可以是导电材料颗 粒。具体地,可以利用以平面相的硫颗粒或导电材料颗粒进行所述面接触,而可以利用以点 相的硫颗粒或导电材料颗粒进行所述点接触。
[0039] 在一个优选的方面,提供了锂硫二次电池的正极组合物,其包括:硫;导电材料; 非水性面接触粘结剂;和水性点接触粘结剂,其中利用以平面相的硫或导电材料进行面接 触或者所述面接触包括以平面相的硫或导电材料,而利用以点相的硫或导电材料进行点接 触或者所述点接触包括以点相的硫或导电材料。在其它方面,本发明提供了用于生产锂硫 二次电池的正极的方法,其可以包括:
[0040] 通过混合硫、导电材料、第一溶剂和非水性面接触粘结剂制备一次浆料,
[0041] 通过干燥所述一次浆料并粉碎所述一次浆料制备一次复合物,
[0042] 通过将一次复合物、导电材料和第二溶剂与水性点接触粘结剂混合制备二次浆 料,和
[0043] 将所述二次浆料涂覆在正极板上。
[0044] 现将在下文中对本发明的各个示例性实施方式进行详细参考,其中在附图中显示 了所述实施方式的实例并在下文中进行了描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明, 但是应理解本发明的说明不旨在将本发明限制于那些示例性实施方式。相反地,本发明旨 在不仅涵盖示例性实施方式,而且还涵盖各种替代、改变、等价物和其它实施方式,它们可 以包含在由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内。
[0045] 除非另外说明,否则如本文所使用的,术语"锂硫电池 (lithium sulfur battery) "、"锂硫单元(lithium sulfur cell) "、"单元(cell) "、"电池"等表示锂硫二次电 池。另外,如本文所使用的,术语"PVdF"是指聚偏氟乙烯,并且术语"SBR"是指丁苯橡胶。
[0046] -般地,基于其中所使用的溶剂和粘附类型,构成锂硫电池的正极的粘结剂可以 分为两种类型,非水性面接触粘结剂和水性点接触粘结剂。
[0047] 在图1中,显示了示例性非水性面接触粘结剂。所述非水性面接触粘结剂可以具 有优势。例如,所述浆料在非水溶剂中可以具有改善的可分散性和稳定性。具体地,由于当 在电解质中溶胀时,PVdF可以具有锂离子传导性,因此可以容易地混合浆料,从而在放电期 间产生高电压。然而,非水溶剂的使用可能需要高温和长时间的干燥过程,并且可能使用大 量的粘结剂来维持一定水平的粘附,并因此可能降低单元(电池)的能量密度,并且顺序或 连续干燥过程可能是困难的。
[0048] 在图2中,显示了示例性水性点接触粘结剂。所述水性点接触粘结剂也可以具有 优势。例如,由于其低沸点,因此可以容易地干燥水性点接触粘结剂并且可以将其应用于锂 硫电池的电极的顺序或连续生产过程。另外,由于可以使用少量粘结剂而具有高粘附性,因 此可以提高单元(电池)的能量密度。然而,大颗粒尺寸的粘结剂如几十纳米可能导致产 生高电化学电阻(阻抗);并且由于亲水性活性物质的分散可以是困难的,因此可能降低浆 料的可分散性和稳定性,从而由于放电期间电极内部的电阻而降低电池电压。
[0049] 因此,如图3所示,本发明提供了使用两种类型的粘结剂,即非水性面接触粘结剂 和水性点接触粘结剂的方法。可以在邻近硫的部分使用非水性面接触粘结剂从而在放电期 间赋予高电压,并且可以在其它部分使用水性点接触粘结剂以便赋予高粘附强度。另外,由 于电极涂层中的水性粘结剂,所以干燥条件可以是温和且容易的,从而提供了对其可以将 两种类型的粘结剂应用于顺序或连续涂层的锂硫二次电池的正极组合物。
[0050] 具体地,本发明提供了锂硫二次电池的正极组合物,其可以包括:硫、导电材料、非 水性面接触粘结剂和水性点接触粘结剂。在一些实施方式中,所述硫可以是硫颗粒,并且所 述导电材料可以是导电材料颗粒。具体地,所述面接触包括以平面相的硫颗粒或导电材料 颗粒或者可以利用平面相的硫颗粒或导电材料颗粒进行所述面接触,而所述点接触包括以 点相的硫颗粒或导电材料颗粒或者可以利用以点相的硫颗粒或导电材料颗粒进行所述点 接触。
[0051] 所述导电材料可以选自由石墨、Super C (I1MCAL(特密高))、气相生长碳纤维、科 琴黑、Denka黑(Denka black)、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、多壁碳纳米管、有序中孔碳以及它 们的组合组成的组,但不限于此。
[0052] 所述非水性面接触粘结剂可以选自由聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙 烯吡咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯-聚偏氟乙烯共聚物、 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)以及它们的组合组 成的组,或者具体地,为聚乙烯吡咯烷酮。例如,聚乙烯吡咯烷酮可以用作非水性面接触粘 结剂,这是因为当在单元(电池)的电解质中溶胀时,它具有比其它粘结剂显著更大的离子 传导性。
[0053] 所述水性点接触粘结剂可以选自由聚乙烯吡咯烷酮、聚四氟乙烯、丁苯橡胶(SBR) 和羧甲基纤维素(CMC)以及它们的组合组成的组,或者具体地,为丁苯橡胶(SBR)。例如, SBR可以用作水性点接触粘结剂,这是因为甚至以少量时,它也可以具有显著高的粘附强 度。
[0054] 同时,非水性面接触粘结剂可以存在为比水性点接触粘结剂更靠近硫颗粒,这是 由于当所述非水性粘结剂可以在电解质中溶胀时更大的离子传导性和提高的放电电压。
[0055] 另外,本发明的组合物可以包括:基于所述正极组合物的总重量,约40至85wt% 的量的硫、约10至50wt%的量的导电材料、约2至25wt%的量的非水性面接触粘结剂和约 2至25wt%的量的水性点接触粘结剂。此外,由于与常规粘结剂相比温和的干燥条件,因此 本发明的组合物可以进行连续涂覆过程。同时,在充电和放电期间,可以降低电化学电阻, 由此产生约2. OV
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