用于鋰-硫電池的陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于裡-硫電池的陰極。該陰極可具有用于充電/放電效率、 充電容量和壽命改善的裡-硫電池的結(jié)構(gòu)。特別是，該陰極可具有插入多孔碳結(jié)構(gòu)中的 活性材料并且該多孔碳結(jié)構(gòu)的表面密集地涂覆有導(dǎo)電材料，從而使不帶集流體（current CO11ector)的陰極中的活性材料和導(dǎo)電材料的含量最大化。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于裡-硫電池的陰極通常通過制備其中導(dǎo)電材料、活性材料、粘合劑和溶劑混 合在一起的漿料并隨后在金屬集流體上涂覆該漿料進(jìn)行制造。
[0003] 由于典型的用于裡-硫電池的陰極通過精確且定性的涂覆工藝制造，因此可W很 好地作出在導(dǎo)電材料之間和在導(dǎo)電材料與活性材料之間的接觸。然而，在制造電池單元之 后，陰極在操作期間重復(fù)地充電和放電，因此，活性材料會變化。此外，由于活性材料的部分 損失，會降低充電/放電效率和能量效率并且也會縮短電池單元的壽命。
[0004] 為了解決此類問題，在相關(guān)技術(shù)中，已經(jīng)開發(fā)了一種提供電極的技術(shù)，其中硫、粘 合劑、導(dǎo)電材料和溶劑W漿料的形式混合來制造用于裡-硫電池的陰極，然后在金屬集流 體上誘鑄和干燥。然而，在使用溶劑的濕法和不使用溶劑的干燥法運兩種方法中，該技術(shù)具 有硫和導(dǎo)電材料不能充分地混合W形成均勻接觸面積運一問題。特別是，最近已經(jīng)報道，均 勻形式的包括活性材料和導(dǎo)電材料的陰極結(jié)構(gòu)能夠松散地保持，并且初始平衡狀態(tài)可在充 電和放電之后快速崩潰，從而引起裡-硫電池的壽命縮短（電化學(xué)學(xué)會雜志（JournalOf TheElectrochemicalSociety) ,159(8)A1226-A1229 (2012))。例如，在裡-硫電池的陰極 結(jié)構(gòu)中，處于初始狀態(tài)的包括相互均勻混合的活性材料和導(dǎo)電材料的均勻結(jié)構(gòu)會因重復(fù)充 電和放電而崩潰，并且因此會使硫洗脫，從而引起充電/放電容量的顯著減小。
[0005] 此外，在相關(guān)技術(shù)中，已經(jīng)提供一種通過在由碳纖維制造的多孔集流體上涂覆陰 極活性材料漿料而獲得的用于裡-硫電池的陰極。此外，已經(jīng)開發(fā)出一種通過使用碳拉在 纖維導(dǎo)體上噴灑含有碳納米管的溶液而將硫電極活性材料容納在纖維導(dǎo)體內(nèi)的方法。
[0006] 此外，已經(jīng)提供一種用于電池的電極結(jié)構(gòu)。該電極結(jié)構(gòu)可包括由細(xì)長纖維形成的 多孔載體，且含有作為活性材料的硫，并且多孔載體的孔隙可部分地涂覆有導(dǎo)電材料?？蛇x 地，已經(jīng)開發(fā)出一種具有其中作為陰極活性材料的硫（巧浸入由碳纖維織物形成的墊子中 的結(jié)構(gòu)的鋼-硫電池。
[0007] 然而，雖然上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)，已經(jīng)提出了將活性材料容納在多孔集流體或 載體或用于電池的電極中的導(dǎo)體內(nèi)的技術(shù)，從而對提高充電/放電效率或容量取得了一些 進(jìn)展，但是活性材料的性能尚未充分最大化。例如，活性材料泄漏到載體或?qū)w的外部會導(dǎo) 致活性材料損失或?qū)щ娦缘姆€(wěn)定性降低。
[0008] 此【背景技術(shù)】部分中公開的上述信息僅用于增強(qiáng)對本發(fā)明的背景的理解，因此可能 包含不形成為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供解決上述與相關(guān)技術(shù)關(guān)聯(lián)的技術(shù)困難的技術(shù)方案。例如，在本發(fā)明的 用于裡-硫電池的陰極結(jié)構(gòu)中，活性材料可插入多孔碳結(jié)構(gòu)中，且密集的導(dǎo)電材料涂層可 通過在多孔碳結(jié)構(gòu)的表面上涂覆具有大比表面積的導(dǎo)電材料而形成，并且因此活性材料可 有效地僅設(shè)置在電極內(nèi)且活性材料的量不會從電極減少。因此，可使活性材料的利用率最 大化，并且可使充電容量最大化，從而提高壽命。
[0010] 一方面，本發(fā)明提供一種具有新穎結(jié)構(gòu)的用于裡-硫電池的陰極。特別是，其中插 入活性材料的多孔碳結(jié)構(gòu)的表面可涂覆有導(dǎo)電材料。
[0011] 另一方面，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的用于裡-硫電池的陰極且電極的表面可涂覆有 具有大比表面積的導(dǎo)電材料，因此，電極中活性材料的量不會減少，從而使充電/放電容量 最大化并提高裡-硫電池的壽命。
[0012] 此外，在另一個目的中，本發(fā)明提供一種用于制造具有結(jié)構(gòu)的用于裡-硫電池的 陰極的方法。特別是，活性材料可插入多孔碳結(jié)構(gòu)中并且多孔碳結(jié)構(gòu)的表面可涂覆有導(dǎo)電 材料。
[0013] 在示例性實施例中，用于裡-硫電池的陰極可包括：板；插入所述板上的多孔碳結(jié) 構(gòu)的孔隙中從而形成電極主體的硫活性材料；和通過在多孔碳結(jié)構(gòu)的整個表面上涂覆納米 顆粒導(dǎo)電材料而形成的導(dǎo)電材料涂層。
[0014] 在示例性實施例中，制造用于裡-硫電池的陰極的方法可包括W下步驟：在板上 制造多孔碳結(jié)構(gòu)W形成陰極主體的步驟；通過在所述碳結(jié)構(gòu)的除一個表面W外的五個表面 上密集地涂覆納米顆粒導(dǎo)電材料在所述碳結(jié)構(gòu)的五個表面上形成導(dǎo)電材料涂層的步驟；將 硫活性材料插入其五個表面涂覆有導(dǎo)電材料的碳結(jié)構(gòu)中的步驟；干燥其中插入活性材料的 碳結(jié)構(gòu)的步驟；和通過在碳結(jié)構(gòu)的未涂覆表面上密集地涂覆導(dǎo)電材料而在碳結(jié)構(gòu)的未涂覆 表面上形成導(dǎo)電材料涂層的步驟。
[0015] 此外，本發(fā)明提供了包括如本文所述的裡-硫電池的車輛。
[0016] 因此，由于電極的表面涂覆有具有優(yōu)異導(dǎo)電性的導(dǎo)電材料，根據(jù)本發(fā)明的各方面 的用于裡-硫電池的陰極即使在體積膨脹的條件下也可W穩(wěn)定地保持電極內(nèi)的導(dǎo)電性。此 夕F，當(dāng)產(chǎn)生的多硫化物在陰極使用期間溶解在電解液中時，電極和電池單元內(nèi)多硫化物的 分散可被抑制并且多硫化物和導(dǎo)電材料之間的反應(yīng)性也可改善。
[0017] 因此，由于運樣的結(jié)構(gòu)特征，而不是常規(guī)的集流體，通過在碳結(jié)構(gòu)的表面上密集地 涂覆導(dǎo)電材料而形成的導(dǎo)電材料涂層可穩(wěn)定地保持導(dǎo)電性，并且用作集流體。因此，電池對 于可大大地提高充電/放電效率、壽命、容量和能量密度。
[0018] 本發(fā)明的其他方面和優(yōu)選實施例在下文討論。
【附圖說明】
[0019] 現(xiàn)在將參考本發(fā)明的某些示例性實施例W及僅通過說明的方式在下面給出且因 此不限制本發(fā)明的附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的上述特征和其他特征，其中：
[0020] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于示例性裡-硫電池的示例性陰極的示 例性結(jié)構(gòu)；
[OOW圖2示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示例性制造過程，其中（1)示例性導(dǎo)電材 料涂層在示例性的用于裡-硫電池的陰極的制造過程期間形成于示例性碳結(jié)構(gòu)的五個表 面上，（2)在活性材料噴入碳結(jié)構(gòu)中之后的碳結(jié)構(gòu)，和（3)在導(dǎo)電材料涂層最終按順序形成 于另一個表面上之后的示例性最終電極結(jié)構(gòu)；W及
[0022] 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例制造的用于示例性裡-硫電池的示例性陰極 的示例性碳結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像，示出在碳結(jié)構(gòu)的表面上形成的示例性導(dǎo)電 材料涂層的示例性結(jié)構(gòu)。
[0023] 圖1-3中所示的附圖標(biāo)記包括如W下進(jìn)一步討論的對下列要素的參考引用：
[0024] 11--碳結(jié)構(gòu) 陽0巧]Ila--纖維 陽0%] 12--硫活性材料
[0027] 13--導(dǎo)電材料
[0028] 14--導(dǎo)電材料涂層
[0029] 應(yīng)該理解的是，附圖不一定按比例繪制，呈現(xiàn)說明本發(fā)明的基本原理的各種優(yōu)選 特征的一定程度簡化的表示。本文所公開的包括例如具體尺寸、取向、位置和形狀的本發(fā)明 的具體設(shè)計特征將部分地由特定的預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境確定。
[0030] 在附圖中，附圖標(biāo)記在所有附圖中指代本發(fā)明的相同或等同的部件。
【具體實施方式】
[0031] 可W理解的是，術(shù)語"車輛"或"車輛用"或如本文所用的其他類似術(shù)語總體上包 括機(jī)動交通工具，例如包括運動型多功能車（SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車的乘用車、 包括各種船只和船舶的水運工具、飛行器等，并且包括混合動力車輛、電動車輛、插電式混 合動力電動車輛、氨動力車輛和其他替代燃料（例如，從石油W外的資源衍生的燃料）車 輛。如本文中所提到的，混合動力車輛是一種具有兩種或更多種動力源的車輛，例如同時具 有汽油動力和電動力的車輛。
[0032] 本文所用的術(shù)語僅用于描述特定的實施例的目的而不意在限制本發(fā)明。如本文所 用，單數(shù)形式"一"、"一種"和"該"意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外明確指出。進(jìn)一 步應(yīng)理解的是，術(shù)語"包括"和/或"包含"在本說明書中使用時指所述的特征、整數(shù)、步驟、 操作、要素和/或部件的存在，但不排除一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、要素、部件 和/或它們的組的存在或添加。如本文所用，術(shù)語"和/或"包括相關(guān)所列項中的一個或多 個的任何組合和所有組合。
[0033] 除非特別說明或從上下文