[发明专利]硫-碳材料

说明书

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2008年3月12提交的美国临时专利申请61/035,783号的优先权，其通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种硫电极，特别是用于锂离子电池中的硫阴极。

背景技术

对于具有较高能量密度、较低毒性、和较低材料成本的较新电池材料的需求使得研发人员和电池生产商考虑锂-硫基系统。锂-硫的化学性质可提供几乎是现有电池系统所达到的10倍的理论能量密度。遗憾的是，锂-硫电池通常具有低的硫利用率的缺点，从而导致了低的电容量和严重的电容量衰减，因而提供了短的使用寿命。

为了限制循环硫基阴极的电容量损失，已经研发了三种主要的方法。一种防止电容量衰减的方法是使用有机分子链将硫束缚在阴极材料中。这种方法通过使用有机分子链附着于硫和/或含硫物质来试图防止硫迁移出阴极材料并变为电化学无效。美国专利4,833,048；5,162,175；5,516,598；5,529,860；5,601,947；6,117,590；和6,309,778研究并公开了这样的方法。第二种限制因硫从阴极迁移而使锂电池的电容量衰减的方法是使用添加剂来固定电池系统中产生的多硫化物。美国专利5,532,077；6,210,831；和6,406,814公开了这种方法。用于该方法的材料包括碳、氧化硅、金属氧化物、过渡金属的硫属化物和金属。第三种方法是将含硫的混合金属硫属化物用作阴极中的电化学活性材料，如美国专利6,300,009；6,319,633；和6,376,127中所公开。然而，尽管为了改善在阴极中含硫的锂电池的性能进行了大量的尝试，但对于循环寿命的显著改善(无严重受限的电容量)仍然很渺茫。

因此，希望得到一种具有相对高的电容量和改善的循环寿命的硫阴极。

发明概述

本发明提供一种具有硫和碳的阴极材料。碳是具有纳米孔隙的多孔基体的形式，而硫吸附于碳基体的纳米孔隙中。碳基体可具有10-99％的纳米孔隙体积。另外，硫可占据纳米孔隙的至少5％而少于100％。仅部分填充有硫的部分碳结构仍保留允许电解质排出的空位。在某些情形中，纳米孔隙具有平均直径为1纳米到999纳米的纳米孔和纳米通道。使用液体传送或其它机制使硫吸附于纳米孔隙中，从而提供了在电子传导的碳结构和电活性硫之间具有紧密接触的材料。另外，硫可以按纳米通道或纳米孔中的硫和/或锂-硫颗粒和/或涂层的形式存在。如果其以碳材料的纳米通道和纳米孔中的颗粒的形式存在，则颗粒可具有大于纳米通道或纳米孔的最窄部分的外尺度，使得相对减少迁移出碳基体的颗粒(如果未得到完全抑制)。

附图说明

图1是描述实施方案的结构的示意图。

图2是本发明的实施方案的透射电子显微数字图象。

图3是显示本发明的实施方案存在硫和碳的能量散射谱。

图4是显示本发明的实施方案中硫质量损失的差热分析图谱；和

图5是显示本发明的实施方案中的电容量与循环次数的函数关系图。

发明详述

本发明公开了一种用于电化学装置中的硫-碳材料。同样的，硫-碳材料具有作为电池中的电活性材料效用。

硫-碳材料包括包含碳和硫的本体。碳是高表面积和具有纳米孔隙的多孔基体的形式。为了本发明的目的，将纳米孔隙定义为在具有孔、通路、通道(具有等于或小于999纳米的平均直径)等的基体中的孔隙。硫可以为单质硫和/或硫化合物的形式，除非另外说明，此后将这两者均称为“硫”，硫被吸入多孔基体的纳米孔隙中使得纳米孔隙仅部分填充有硫，且硫可以按独立颗粒、涂层和其组合的形式存在。为了本发明的目的，将术语吸附定义为吸纳和保留。另外，硫可以部分填充多孔基体中的孔和/或通路。仅部分填充有硫的纳米孔隙使得电解质扩散或迁移通过纳米孔隙到达硫。相比之下，如果纳米孔隙填充有硫，则电解质迁移到在纳米孔隙中的硫是不可能的。

多孔碳基体为本体中任何可移动的物质提供了弯曲且抑制扩散的路径。同样的，在锂离子电池放电期间，抑制了任何可移动的硫和/或含硫物质扩散和/或迁移到电池的阳极，从而在放电/充电循环中减少了电容量的损失。