[发明专利]用于锂离子电池的封装的硫阴极

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池的阴极，并涉及形成锂离子电池的阴极的方法。

背景技术

此处提供的背景技术的描述的目的是总体地给出本公开的背景。当前署名的发明人的工作，在该背景技术部分所描述的程度，以及在提交时可能不构成现有技术的本发明的方面并非明示或暗示地接受为本发明权利要求的现有技术。

锂离子电池已经被证明与其他电池化学相比能提供更高的能量和功率密度、更宽范围的操作温度和出色的循环寿命和日历寿命。对各种便携电子装置的持续需求（例如电力手持动力工具）和基于高功率电力应用的运输持续引导研究集中在更低成本的材料，而不用损失锂离子电池的可靠性和寿命。结果，锂-硫电池单元已成为有吸引力的选择，因为假设Li₂S完全反应，最高理论比能为大约2600 Wh/kg（1672mAh/g）。

然而，当在锂-硫电池单元中用作阴极活性材料时，元素硫引起两个问题。第一，硫本身具有很低的电导率，例如在25℃时大约5.0 x 10^-14S cm^-1。第二，当锂化或放电期间，硫在电池单元的电解质中具有高溶解性。当充电和放电期间，硫的溶解减少了电化学电池单元的容量，并且是不希望的。例如，溶解之后，硫阴离子在碳阳极表面上重新沉积并反应。因此，锂-硫电池需要具有改进的能量和功率输出。本公开提供一种新的含硫阴极材料以最小化与硫的高电阻、溶解、反应相关的现有问题，同时保持所需的可用寿命。过去已经进行过很多尝试来混合元素硫和碳颗粒以提高电导率。另外，最近的工作已经执行以将硫捕集在碳颗粒的微小的和中间的孔中。然而，在这些类型的碳中的硫的沉积不能防止硫暴露于电解质，并且在快速容量衰减下仅具有有限的循环寿命。本发明提供在具有高长径比的碳纳米纤维的空芯中封装硫的过程和方法。

发明内容

本部分提供本公开的总体概括，并非是对其全部范围或所有特征的全面公开。

在各种实施例中，本发明的教导提供了制造用于电化学电池单元的阴极元件的方法。该方法包括在封闭环境中提供中空碳纳米管和硫源。然后硫沉积在中空碳纳米管的内部中。在各个方面，通过加热硫到高于其升华点的温度来实现沉积，其中蒸汽相硫沉积在纳米管的芯中。方法包括清洁碳纳米管的外部表面以除去任何残留的硫。然后碳纳米管结合到阴极元件中。

在其他实施例中，本发明的教导提供了制造用于锂-硫电化学电池单元的阴极的方法。该方法包括在环境压力下的封闭、惰性环境中提供中空的、叠锥结构的碳纳米管和硫源。硫源加热到高于其升华点的温度，元素硫沉积在中空碳纳米管的内部中。碳纳米管的外部表面被清洁，并且填充有硫的碳纳米管结合到锂-硫电化学电池单元的阴极元件中。

在其他的实施例中，本发明的教导提供用于电化学电池单元的阴极材料。该阴极材料包括多个叠锥结构的碳纳米管。各纳米管限定了中空内部和具有基本上连续的外部表面区域。元素硫沉积在各纳米管的中空内部中。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种制造用于电化学电池单元的阴极元件的方法，所述方法包括：

在封闭环境中提供中空碳纳米管和硫源；

在所述中空碳纳米管的内部沉积硫；

清洁所述碳纳米管的外部表面；以及

将所述碳纳米管结合到阴极元件中。

2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管包括叠锥结构。

3. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管包括从大约50nm到大约150nm的平均内部芯直径。

4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管包括从大约500到大约5000的平均长径比。

5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，包括以一定量提供所述硫源，所述一定量包括比填充所述中空碳纳米管的内部所需元素硫的理论量多出大约10wt%到大约15wt%。

6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述硫源从由元素硫、硫酸铵、硫化铵和它们的组合组成的组中选择。

7. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，沉积所述硫包括用硫填充各中空碳纳米管的至少大约2/3。

8. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，沉积所述硫包括使用从由升华、化学汽相沉积、物理汽相沉积和它们的组合组成的组中选择的技术。

9. 根据技术方案8所述的方法，其特征在于，沉积所述硫包括加热所述硫到高于其升华点的温度。