用于锂-硫电池组的多孔夹层的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及一种用于锂-硫电池组的多孔夹层。
【背景技术】
[0002]二次或可充电的锂-硫电池组常常被用在许多固定的或可携带的装置中，如消费电子、汽车和航空工业中遇到的那些。鉴于包括在与其它种类的可充电电池组相比时相对高的能量密度、一般没有任何记忆效应，相对低的内阻和不使用时低的自发放电速率等多种原因，锂类的电池组已经获得流行。锂电池组在其可用的寿命中经历反复循环的能力使其具有吸引力并使之成为可靠的电能储存装置。
【发明内容】
[0003]用于锂-硫电池组的多孔夹层包括电子组分和带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分。所述电子组分选自碳材料、导电聚合物材料及其组合。在一个实例中，所述多孔夹层可以设置在锂-硫电池组中的硫基正极和多孔聚合物隔板之间。在另一个实例中，所述多孔夹层可以在多孔聚合物隔板的表面上形成。
[0004]本发明包括以下方面:
1.用于锂-硫电池组的多孔夹层，包括或由如下组成:
电子组分，选自碳材料、导电聚合物材料及其组合；和带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分；
2.如方面I中所定义的多孔夹层，其中所述碳材料选自碳纳米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其组合；
3.如方面I中所定义的多孔夹层，其中所述导电聚合物材料包括纳米纤维、纳米管、空心球及其组合，所述导电聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚对苯乙炔、聚苯硫醚或其组合构成；
4.如方面I中所定义的多孔夹层，其中所述电子组分与所述带负电荷或可带负电的锂离子传导组分之比为1:99-99:1 ；
5.如方面I中所定义的多孔夹层，其中带负电荷或可带负电的锂离子传导组分在所述多孔夹层中的百分比为所述多孔夹层的总重量％的5重量％或更少；
6.如方面I中所定义的多孔夹层，其中所述带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分选自磺化的四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、聚丙烯酸、海藻酸钠或单一的锂离子导电聚合物；
7.如方面I中所定义的多孔夹层，其中所述多孔夹层的厚度为大约1nm至大约1000 μ m ；
8.制备用于锂-硫电池组的多孔夹层的方法，所述方法包括:
将选自碳材料、导电聚合物材料及其组合的电子组分分散在第一液体中以形成第一分散体； 使多孔载体结构暴露于所述第一分散体，由此所述电子组分保留在所述多孔载体结构的表面上并且所述第一液体通过所述多孔载体结构过滤；
将带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分分散到第二液体中以形成第二分散体；和使所述多孔载体结构暴露于所述第二分散体，由此所述带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分保留在所述多孔载体结构的表面上并且所述第二液体通过所述多孔载体结构过滤；
9.如方面8中所定义的方法，其中在使所述多孔载体结构暴露于所述第一或第二分散体之前，所述方法进一步包括:
将所述第一和第二分散体混合以形成单一的分散体；和
其中所述暴露步骤通过将所述多孔载体结构暴露于所述单一的分散体而同时完成；
10.如方面8中所定义的方法，其中所述多孔载体结构是聚四氟乙烯膜、聚乙烯(PE)膜、聚丙烯(PP)膜、包含PE与PP的共混物的膜或多层结构的多孔PE和PP膜；
11.如方面8中所定义的方法，其中所述方法进一步包括除去所述多孔载体结构，由此形成自由放置的多孔夹层；
12.如方面8中所定义的方法，其中所述多孔载体结构是多孔聚合物膜，并且所述方法进一步包括允许所述多孔聚合物膜保持与所述电子组分和所述带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分接触，由此形成带有作为在所述多孔聚合物膜上的涂层的多孔夹层的隔板；
13.用于锂-硫电池组的隔板，包含:
多孔的聚合物膜；和
在所述多孔膜表面上形成的夹层，所述夹层包括:
电子组分，选自碳材料、导电聚合物材料及其组合；和带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分；
14.如方面13中所定义的隔板，其中所述多孔聚合物膜选自聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PE与PP的共混物或多层结构的多孔PE和PP膜；
15.如方面13中所定义的隔板，其中:
碳材料选自碳纳米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其组合；或所述导电聚合物材料包括纳米纤维、纳米管、空心球或其组合，所述导电聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚乙炔、聚对苯乙炔、聚苯硫醚或其组合构成；
16.如方面13中所定义的隔板，其中所述带负电荷的或可带负电的锂离子传导组分选自磺化的四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、聚丙烯酸、海藻酸钠或单一的锂离子导电聚合物；
17.一种锂-硫电池组，包含:
硫基正极；
负极；
设置在硫基正极与负极之间的多孔聚合物隔板；
设置在硫基正极与多孔聚合物隔板之间的多孔夹层，其中所述多孔夹层包括:
电子组分，选自碳材料、导电聚合物材料及其组合；和带负电荷的锂离子传导组分；和多孔聚合物隔板和多孔夹层的电解质填充孔；
18.如方面17中所定义的锂-硫电池组，其中:
所述碳材料选自碳纳米管、石墨烯、微孔碳、介孔碳、空心碳球及其组合；或所述导电聚合物材料包括纳米纤维、纳米管、空心球或其组合，所述导电聚合物材料由聚吡咯、聚噻吩或聚苯胺构成；
19.如方面17中所定义的锂-硫电池组，其中带负电荷的锂离子传导组分在所述多孔夹层中的百分比为所述多孔夹层的总重量％的5重量％或更少；
20.如方面17中所定义的锂-硫电池组，其中带负电荷的锂离子传导组分选自带负电荷的磺化四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物、带负电荷的聚丙烯酸、带负电荷的海藻酸钠或单一的锂离子导电聚合物。
【附图说明】
[0005]本发明的实例的特征和优点通过参考下面的详细描述和附图将变得显而易见，其中相似的参考标记相应于类似的尽管可能不相同的组分。为了简便起见，具有前面描述的作用的参考标记或特征可以与或者也可以不与它们显现在其中的其它附图一起描述。
[0006]图1A是自由放置的多孔夹层的一个实例的横截面示意图，所述多孔夹层包括纤维状电子组分和与之结合的带负电荷的锂离子传导组分；
图1B是自由放置的多孔夹层的另一个实例的横截面示意图，所述多孔夹层包括多孔电子组分和与之结合的带负电荷的锂离子传导组分；
图2是显示充放电状态的锂-硫电池组的一个实例的透视示意图，所述电池组包括根据本发明的多孔夹层的实例；
图3是用碳纳米管和带负电荷的磺化四氟乙烯基氟代聚合物-共聚物形成的自由放置的多孔夹层的一个实例的扫面电子显微镜(SEM)图像；
图4是说明不包括夹层或碳夹层的对比电池组电池与包括根据本发明的夹层的实例电池组电池的充电容量和放电容量(mAh/gs)的曲线图；
图5是说明不包括夹层或碳夹层的对比电池组电池与包括根据本发明的实例夹层的实例电池组电池的库伦效率(%)的曲线图；和
图6是描绘不包括夹层或碳夹层的对比电池组电池与包括根据本发明的实例夹层的实例电池组电池在第2循环中的电压(V)性能分布的曲线图。
[0007]应当理解的是图2中示出的组分描绘说明了锂-硫电池组的正负电极之间锂离子的流动，和由此不必按比例画出。
【具体实施方式】
[0008]锂-硫电池组通常通过锂离子在负极(有时称为阳极)与正极(有时称为阴极)之间的可逆传递进行。正负电极位于用适合于传导锂离子的电解质溶液浸泡的多孔聚合物隔板的相对两侧。每个电极还伴有各自的