锂硫电池芯正极片和使用该正极片的锂硫电池芯及其制作方法与流程

本发明涉及一种锂硫电池芯正极片和使用该正极片的锂硫电池芯及其制作方法，特别是一种使用硫导电聚化合活性物者。

背景技术：

移动装置的应用范围日益广泛，已经与现代人的生活密不可分，伴随着此一发展，对二次电池的容量与寿命的要求也越来越高。锂电池因为具有高工作电压及高能量密度，是目前最为普及的移动装置电源。为了追求更高的电容量与更佳的电池性能，已开发多种不同化学组成的锂电池，其中，锂硫电池因为具有比一般锂金属氧化物电池更高的电容量而受到注目。

然而，硫在充放电过程遇热则成为液态的多硫而在电池的电解液或负极到处流动，降低可循环利用的硫活性物质的量，导致电池的充电容量及寿命下降，使得纯硫难以应用在二次锂电池上，因此，改善锂硫电池中硫的型态为锂硫电池应用中的重要课题。

技术实现要素：

有鉴于此，为了提供一种有别于惯用技术的结构，并改善上述的缺点，发明人积多年的经验及不断的研发改进，才有本发明的产生。

本发明的一目的在于提供一种锂硫电池芯正极片及使用该锂硫电池芯正极片的锂硫电池芯，使利用该锂硫电池芯制作的锂硫电池具有较大的容量、较佳的充放电效率和自放电率内阻以及较长的充放电循环。

为达上述目的，本发明提供一种锂硫电池芯正极片，其包括一正极集电片、一正极活性物质涂层以及至少一绝缘层，该正极集电片包括相邻的一正极极耳部及一正极集电部，该正极活性物质涂层结合于该正极集电片的该正极集电部上，该至少一绝缘层结合于该正极集电片的该正极集电部上，邻接于该正极集电片上的该正极活性物质涂层的至少一侧边，其中该正极活性物质涂层包括80-95wt%的硫导电聚化合活性物、2-15wt%的黏着剂、0.5-10wt%的导电剂和0.1-5wt%的分散剂。

此外，本发明提供一种锂硫电池芯，其包括一如前述的锂硫电池芯正极片、一锂硫电池芯负极片以及一隔离膜，其中该锂硫电池芯负极片包括一负极集电片，该负极集电片包括相邻的一负极极耳部及一负极集电部，该负极集电部上涂有一金属锂层，而该隔离膜为一湿式隔离膜，位于该正极集电片上的该正极活性物质涂层及该负极集电片上的该金属锂层之间。

本发明的另一目的在于提供一种锂硫电池芯正极片及使用该锂硫电池芯正极片的锂硫电池芯的制作方法，使利用该方法制作的锂硫电池芯制作的锂硫电池具有较大的容量、较佳的充放电效率和自放电率内阻以及较长的充放电循环。

为达上述目的，本发明提供一种锂硫电池芯正极片的制作方法，该锂硫电池芯正极片包括一正极集电片，其包括相邻的一正极极耳部及一正极集电部，该锂硫电池芯正极片的制作方法包括以下步骤：

步骤a.将硫、聚合物及单晶石墨烯均匀混合成一混合物；

步骤b.在一惰性气体的环境下将该混合物加热至80至120℃，使其干燥并发生脱氢反应，以生成一导电聚合物；

步骤c.将步骤b的该混合物在150℃至300℃的温度范围及14.5psi至725psi的压力范围下维持恒温0.5至3小时到脱氢起硫熔化反应，以生成一硫导电聚合物，并与石墨烯形成一硫导电聚化合活性物；

步骤d.将80-95wt%的该硫导电聚化合活性物与2-10wt%的黏着剂、0.5-5wt%的导电剂、0.1-1wt%的分散剂和溶剂混合搅拌均匀以形成一正极活性物质；

步骤e.将该正极活性物质涂布在该正极集电片的该正极集电部上；

步骤f.将涂有该正极活性物质的该正极集电片辊压成一锂硫电池芯正极片；以及

步骤g.在该正极集电部上的该正极活性物质涂层的至少一侧边涂上绝缘胶。

此外，本发明提供一种锂硫电池芯的制作方法，其包括如前述的锂硫电池芯正极片的制作方法，并进一步包括以下步骤：

步骤h.提供一负极集电片，其包括相邻的一负极极耳部及一负极集电部；

步骤i.将金属锂经高温熔融涂布在该负极集电片的该负极集电部上；

步骤j.将涂有金属锂的该负极集电片辊压成一锂硫电池芯负极片；以及

步骤k.在该正极活性物质涂层和该金属锂之间设置一隔离膜。

实施时，前述用于制硫导电聚化合活性物硫导电聚化合活性物的混合物中的材料比为硫10-95wt%、聚合物4.9-89wt%、石墨烯0.1-85wt%。

实施时，前述聚合物选自以下聚合物中的一种：聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚氟乙烯(pvf)、聚丙烯腈(pan)、聚苯乙烯(ps)、聚氧化乙烯(peo)。

实施时，前述单晶石墨烯的粒径为0.2-5nm，层数为单层或多层的片层。

实施时，前述隔离膜为一湿式隔离膜。

附图说明

图1为本发明的锂硫电池芯正极片的一实施例的示意图。

图2为本发明的锂硫电池芯的一实施例的爆炸示意图。

图3为本发明锂硫电池芯正极片及锂硫电池芯的制作方法的一实施例的流程图。

图4-6为使用本发明的锂硫电池芯正极片制作的锂硫电池芯的实施例。

图7为使用本发明的锂硫电池芯制作的锂硫电池芯的一实施例的示意图。

附图标记说明

a-k步骤

1锂硫电池芯

2电池壳

3盖板

10锂硫电池芯正极片

20锂硫电池芯负极片

30隔离膜

100正极集电片

101正极极耳部

102正极集电部

110正极活性物质涂层

120绝缘层

200负极集电片

201负极极耳部

202负极集电部

210金属锂层。

具体实施方式

请参阅图1所示，其为本发明的锂硫电池芯正极片10的一实施例的示意图，其包括一正极集电片100、一正极活性物质涂层110以及两个绝缘层120，正极集电片100包括相邻的一正极极耳部101及一正极集电部102，正极活性物质涂层110结合于正极集电片100的正极集电部102上，绝缘层120结合于正极集电片100的正极集电部102上，邻接于正极集电片100上的正极活性物质涂层110的两侧边，其中正极活性物质涂层110包括80-95wt%的硫导电聚化合活性物、2-15wt%的黏着剂、0.5-10wt%的导电剂和0.1-5wt%的分散剂。

请参阅图2所示，其为本发明的锂硫电池芯1的一实施例的示意图，其包括一前述的锂硫电池芯正极片10、一锂硫电池芯负极片20以及一隔离膜30，其中锂硫电池芯负极片20包括一负极集电片200，其包括相邻的一负极极耳部201及一负极集电部202，负极集电部202上涂有一金属锂层210，而隔离膜30为一湿式隔离膜，位于正极集电片100上的正极活性物质涂层110及负极集电片200上的金属锂层210之间。

图3为本发明锂硫电池芯正极片及锂硫电池芯的制作方法的一实施例的流程图，其中锂硫电池芯正极片的制作方法包括以下步骤：

步骤a.将硫、聚合物及单晶石墨烯均匀混合成一混合物；

步骤b.在一惰性气体的环境下将该混合物加热至80至120℃，使其干燥并发生脱氢反应，以生成一导电聚合物；

步骤c.将步骤b的该混合物在150℃至300℃的温度范围及14.5psi至725psi的压力范围下维持恒温0.5至3小时到脱氢起硫熔化反应，以生成一硫导电聚合物，并与石墨烯形成一硫导电聚化合活性物；

步骤d.将80-95wt%的该硫导电聚化合活性物与2-10wt%的黏着剂、0.5-5wt%的导电剂、0.1-1wt%的分散剂和溶剂混合搅拌均匀以形成一正极活性物质；

步骤e.将该正极活性物质涂布在该正极集电片的该正极集电部上；

步骤f.将涂有该正极活性物质的该正极集电片辊压成一锂硫电池芯正极片；以及

步骤g.在该正极集电部上的该正极活性物质涂层的至少一侧边涂上绝缘胶。

而该锂硫电池芯的制作方法除了包括上述锂硫电池芯正极片的制作方法，还包括以下步骤：

步骤h.提供一负极集电片，其包括相邻的一负极极耳部及一负极集电部；

步骤i.将金属锂经高温熔融涂布在该负极集电片的该负极集电部上；

步骤j.将涂有金属锂的该负极集电片辊压成一锂硫电池芯负极片；以及

步骤k.在该正极活性物质涂层和该金属锂之间设置一隔离膜。

在一个较佳实施例中，前述步骤a中的混合物中的材料比为硫10-95wt%、聚合物4.9-89wt%、石墨烯0.1-85wt%；硫的纯度为99.50%至99.99%；石墨烯为大面积单晶石墨烯，其粒径为0.2-5nm，层数为单层、双层或多层的片层；聚合物选自以下聚合物中的一种：聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚氟乙烯(pvf)、聚丙烯腈(pan)、聚苯乙烯(ps)、聚氧化乙烯(peo)。

在一个较佳实施例中，前述步骤b中的惰性气体为氩气(ar)或氮气(n2)。

在一个较佳实施例中，前述步骤c所形成的硫导电聚化合活性物，其硫含量为50-90wt%，石墨烯可增加该复合材料的导电度，该硫导电聚化合活性物的结构包括堆栈的层状石墨烯以及夹在层状石墨烯中的硫导电聚合物，其形态为粉末、颗粒、块材或纤维，在室温下可正常充放电。

在一个较佳实施例中，前述步骤d中的粘着剂为聚偏二氟乙烯(pvdf)、丁苯橡胶(sbr)或聚丙烯酸(paa)导电剂为sp、ks-6、碳纳米管或石墨烯；分散剂为聚乙烯吡咯啶酮(pvp)；溶剂为纯净水或n-甲基吡咯烷酮(nmp)。

在一个较佳实施例中，前述正极集电片为铝箔或铜箔，负极集电片为铝箔、铜箔或铜网，厚度为8-30nm。涂布在阴极集电片上的金属锂层厚度为10-100nm。隔离膜为湿式隔离膜，其厚度为14-30nm。

本发明的锂硫电池芯可以多种方法制成，如图4-6所示，本发明的锂硫电池芯可以卷绕、层叠或封包的方式制成，锂硫电池芯正极片上正极活性物质涂层的两侧边涂布的绝缘层为一绝缘胶，在制作锂硫电池芯时避免发生短路，跟据锂硫电池芯的制作方式，绝缘胶可涂布在正极活性物质涂层的一或多个侧边，正极极耳部与负极极耳部可位于同一侧(图4、图5)或不同侧(图6)。当以卷绕方法制作锂硫电池芯时，以一外层隔膜包覆锂硫电池芯负极侧再包覆锂硫电池芯正极侧重复卷成电池芯；以层叠方法制作锂硫电池芯时，将多片锂硫电池芯正极片、负极片以及隔离膜交替层叠，再以一外层隔膜包覆负极侧再包覆正极侧成一锂硫电池芯。

制作完成的上述锂硫电池芯中，层叠的正极极耳部形成一正极极耳，层叠的负极极耳部形成一负极极耳。如图7的实施例所示，制作锂硫电池时，可将上述锂硫电池芯的正极极耳及负极极耳分别与一正极和负极连接片焊接后再放入一电池壳2中，盖上盖板3再以激光焊接封口后抽真空并注电解液而形成一锂硫电池。

在一个实施例中，以本发明的锂硫电池芯制作的锂硫电池的充放电率可达到100%，且在电池的充放电循环测试中，电池在长时间循环充放电之后，电池的充电率衰减低于3%，显示了良好的稳定性。

因此，本发明具有以下的优点：

1、本发明锂硫电池芯正极片及锂硫电池芯使用的正极活性物质含有硫导电聚化合活性物，因此，使用本发明的锂硫电池芯制作的锂硫电池具有较大的容量。

2、本发明可有效回收利用硫导电聚化合活性物，因此能改善电池循环充电的充电率。

3、本发明使用的正极活性物质能避免硫在充放电过程成为液态的多硫而在电池中流动，因此能提高电池的循环充电次数，改善电池的稳定性并延长电池寿命。

综上所述，依上文所公开的内容，本发明确实可达到预期的目的，提供一种锂硫电池芯正极片及使用该锂硫电池芯正极片的锂硫电池芯，使利用该锂硫电池芯制作的锂硫电池具有较大的容量、较佳的充放电效率和自放电率内阻以及较长的充放电循环，极具产业上利用的价值。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。