[发明专利]用于电池组的活性材料

说明书

本申请要求享有DE 10 2011 084 646的优先权。

该优先权文件通过参考整体引入到本公开中（= incorporated herein by reference in its entirety）。

本申请中引用的所有文件都通过参考整体引入到本公开中（= incorporated herein by reference in their entirety）。

本发明涉及用于电池组的活性材料。

现有技术：

电池组的应用，例如在电动车辆或可再生能(例如风能、太阳能等)的存储技术中的电池组的应用，需要对具有与迄今可提供的和/或商业上可获得的那些相比显著更高的比能的可再充电的电池组开发新的技术。

锂-硫电池组对于这些应用领域是非常有希望的技术。这是因为单质硫(S8)的理论重量电容（gravimetrische Kapazität）为1672 mAh g^-1，或换言之，其理论能量密度为最大2600 Wh kg^-1(即比已经广泛使用的锂离子技术的能量密度高最多5倍)。

此外，硫和基于硫的电极材料的使用提供了进一步的一般优点，如尤其是天然固有的“过度充电保护机制”、没有健康担忧、环境相容性、丰富的原料储藏量、以及低的开采-和生产成本。

然而，使用硫作为阴极材料也具有一系列的如下列出的挑战：

－ 硫和基于硫的化合物(例如Li₂S)具有极其小的电和离子传导性。

－ 在充放电过程中中间形成的多硫化锂(Li₂S_n，其中2 < n < 8)非常容易溶解在所用的有机电解液中。这导致不导电不溶的Li₂S₂和Li₂S沉积在阴极表面上，由此在电化学上不再可用；另一方面，这些多硫化物也能够扩散到阳极侧，并作为Li₂S₂和Li₂S沉积在那里，这会造成阳极表面的钝化，或者其在那里再次被还原并扩散回到阴极侧。后一种情况称作所谓的“穿梭机制”，其导致电池组的比电容的降低和自放电的增加。

－ 但是另一方面，由于已述及的该活性材料非常差的离子传导性，在活性材料和电解液之间需要尽可能大的接触面积。

－ 重复充放电循环期间通过与此相关联的重复的体积膨胀和-减小造成导致电极形态的改变，并由此最终导致硫颗粒附聚，非常小的电和离子的传导性再次起了负面作用。在这种情况中，仅所述颗粒-附聚体的表面变成电化学活性的，由于颗粒-附聚必然造成该表面的减小。这又导致可获得的比电容的降低(Jeon等, Journal of Materials Processing Technology 143-144 (2003) 93-97)。

总之，其导致明显低于理论可能的电容且在循环过程中通常会快速降低的实际可达到的电容。

由此导致产生低的循环稳定性以及充放电过程的低效率。

Ji & Nazar Journal of Materials Chemistry 20 (2010) 9821-9826和Ji等 Nature Materials 8 (2009) 500-506提供了对该主题的很好的综述和介绍。

硫电极的放电过程能够非常普遍地总地通过以下反应方程描述：

16 Li + S₈ --> 8 Li₂S

根据该反应方程已经能够认识到，对于使用单质硫作为阴极材料而言，另外的锂源是绝对必要的。因此大都使用金属锂作为阳极，其在反复充放电循环过程中仍然隐藏着形成枝晶的风险。

部分地，在现有技术中已经尝试，使用放电过程的最终产物，即Li₂S，作为原料替代单质硫。

广泛使用Li₂S作为阴极材料的主要挑战与单质硫的情况类似，因为电化学反应当然是相同的。仅仅将最初的产物用作了反应物。