CN103988337B - 具有多硫化物阻挡层的锂硫电池隔离件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂硫电池，该锂硫电池包括含锂的阳极（1）、含硫的阴极（2）以及被布置在含锂的阳极（1）和含硫的阴极（2）之间的隔离件（3）。为了抑制往复机制并且禁止活性材料损失，该隔离件（3）包括基础层（3a）和多硫化物阻挡层（3b），其中该多硫化物阻挡层（3b）被构造在该隔离件（3）的阴极侧上。此外，本发明涉及隔离件、锂硫电池组以及移动的或固定的系统、如车辆或能量存储装置。

Description

具有多硫化物阻挡层的锂硫电池隔离件
技术领域
本发明涉及一种隔离件、一种锂硫电池、一种锂硫电池组以及一种移动的或固定的系统、如车辆或能量存储装置。
背景技术
为了制造具有明显更大的能量密度的电池组，目前研究锂硫电池组工艺，通过该锂硫电池组工艺，能量含量可以从目前200 Wh/kg理论上被增高到1000 Wh/kg以上。
为了实现1000 Wh/kg以上的能量含量，然而阴极必须完全由元素硫来构造。然而元素硫既不传导离子又不导电，因此阴极必须被附加添加物，所述添加物明显降低该理论值。
另外的问题是在放电（还原）时所出现的多硫化物Sx 2-的溶解度。这些多硫化物可能迁移到锂阳极并且在那里被还原，因此由此不能获得电流。该过程一般被称为往复机制并且导致能量密度的进一步的下降。
发明内容
本发明的主题是一种锂硫电池，该锂硫电池包括含锂的阳极、含硫的阴极以及其间的、即被布置在含锂的阳极和含硫的阴极之间的隔离件。
该隔离件在此特别是包括基础层和多硫化物阻挡层。该多硫化物阻挡层在此特别是可以被构造在隔离件的阴极侧上。
多硫化物阻挡层特别是可以被理解为如下层，该层阻止特别是具有大于或等于3、例如3到8的链长的多硫化物扩散穿过该层。扩散阻挡特性在此可以基于不同的原理。例如可以通过以下方式阻止多硫化物透过多硫化物阻挡层，即多硫化物可以构造与多硫化物阻挡层的材料的可逆的、例如离子的化合。然而同样可能的是，多硫化物阻挡层是传导锂离子的并且密封的、或传导锂离子的或不传导锂离子的并且至少具有这样小的孔隙率，使得多硫化物不能穿过该多硫化物阻挡层。
该多硫化物阻挡层可以有利地阻止多硫化物透过隔离件并且以此阻止多硫化物到达阳极。由此得出的优点是往复过程的抑制。通过往复过程的抑制可以在电池充电时有利地防止活性材料的损失并且与此相关联的容量和能量损失。因为多硫化物停留在阴极的附近，在该阴极处多硫化物可以进一步被还原或又被氧化，所以此外可以有利地获得更好的硫利用并且在电池充电时增高能量效率。
在一种实施方式的范围内，基础层包括至少一种聚烯烃、例如聚乙烯和/或聚丙烯。基础层特别是可以由至少一种聚烯烃来构造。
在另一种实施方式的范围内，该多硫化物阻挡层包括至少一种多硫化物亲和（polysulfidaffin）材料、特别是聚合物。必要时，该多硫化物阻挡层可以由至少一种多硫化物亲和材料、特别是聚合物来构造。
多硫化物亲和材料、特别是聚合物特别是可以被理解为一种材料或聚合物，该材料或聚合物可以可逆地、例如离子地化合特别是具有大于或等于3、例如3到8的链长的多硫化物。多硫化物亲和材料或聚合物特别是可以具有比基础层的材料更高的多硫化物亲合力。材料或聚合物的多硫化物亲合力例如可以通过要检查的材料作为双室电池/渗透电池中的隔离件的使用以及两个半电池中的浓度测量来确定。
通过多硫化物亲和材料可以化合多硫化物，多硫化物亲和材料可以阻止多硫化物进一步扩散到隔离件中以及通过该隔离件扩散到阳极。然而，多硫化物在此优选地不太强地被化合，使得多硫化物之后又可以参与阴极反应。
在该实施方式的一种扩展方案的范围内，多硫化物阻挡层包括至少一种聚醚、特别是聚乙二醇（PEG）或聚丙二醇。必要时，多硫化物阻挡层可以由至少一种聚醚、特别是聚乙二醇或聚丙二醇来构造。通过聚醚或利用聚醚的（表面）改性，可以有利地实现多硫化物势垒层的提高的多硫化物亲合力。只要基础层由至少一种聚烯烃来构造，那么隔离件在该实施方式的范围内也可以被称为表面改性的聚烯烃隔离件。
在该实施方式的另一种替代的或附加的扩展方案的范围内，多硫化物阻挡层包括至少一种聚烯烃聚醚共聚物。必要时，多硫化物阻挡层可以由至少一种聚烯烃聚醚共聚物来构造。通过聚烯烃聚醚共聚物，不仅作为隔离件材料的聚烯烃的优点而且作为多硫化物亲和材料的聚醚的优点可以有利地、特别是纳米级地相互组合。
在另一种替代的或附加的实施方式的范围内，多硫化物阻挡层包括至少一种多硫化物密封（polysulfiddicht）、特别是陶瓷或聚合材料。必要时，多硫化物阻挡层可以由至少一种多硫化物密封、特别是陶瓷和/或聚合材料来构造。
多硫化物密封材料可以被理解为如下材料，该材料是传导锂离子的并且密封的或该材料是传导锂离子的或不传导锂离子的并且至少具有这样小的孔隙率，使得特别是具有大于或等于3、例如3到8的链长的多硫化物不能穿过该材料。多硫化物密封材料特别是可以具有比基础层的材料更高的多硫化物密封性。材料的多硫化物密封性例如可以通过要检查的材料作为双室电池/渗透电池中的隔离件的使用以及两个半电池中的浓度测量来确定。
通过多硫化物密封材料，多硫化物同样可以被阻止进一步扩散到隔离件中以及通过该隔离件扩散到阳极。传导锂离子的特性或小的孔隙率在此保障，锂离子可以穿过该材料。
所述至少一种多硫化物密封材料例如可以是传导锂离子的陶瓷或聚合材料。例如可以从陶瓷锂离子导体和聚合锂离子导体、特别是具有石榴石结构的陶瓷锂离子导体的组中选择所述至少一种多硫化物密封材料。附加地，所述至少一种多硫化物密封材料可以是多硫化物亲和的。
在另一种实施方式的范围内，多硫化物阻挡层与基础层化学地和/或物理地、特别是化学地连接。
在该实施方式的一种扩展方案的范围内，多硫化物阻挡层的至少一种多硫化物亲和聚合物被接到基础层、特别是至少一种聚烯烃的聚合物链上。例如，在此聚醚、例如聚乙二醇（PEG）可以特别是在原处被接到基础层、特别是基础层的聚烯烃上。反应在此例如可以通过UV激活来起动。因此可以有利地实现多硫化物阻挡层到基础层的表面上的化学连接。
多硫化物亲和聚合物到基础层的表面上的物理连接可以以相似的方式进行并且例如同样通过UV激活来起动。
在该实施方式的另一种扩展方案的范围内，多硫化物阻挡层的至少一种多硫化物密封材料通过结晶或蒸镀例如从溶液或以热的方式被施加到基础层上。因此可以有利地实现多硫化物阻挡层到基础层上的物理连接。
在另一种实施方式的范围内，多硫化物阻挡层被构造为多层的层系统。在此特别是至少一层可以包括至少一种多硫化物亲和聚合物、特别是至少一种聚醚、例如聚乙二醇和/或聚丙二醇、和/或至少一种聚烯烃聚醚共聚物或由所述材料来构造。至少一个其它层在此可以包括至少一种多硫化物密封材料或由该材料来构造。通过以多层的层系统的形式来构造多硫化物阻挡层，各个层可以有利地分别在整个面上执行其功能。优选地，在此多硫化物密封层被构造在多硫化物亲和层的背离阴极的侧上。
在另一种实施方式的范围内，多硫化物阻挡层包括由至少一种多硫化物亲和聚合物和至少一种多硫化物密封材料构成的混合物（遮盖物）。必要时，多硫化物阻挡层可以由该混合物来构造。通过例如聚合材料和陶瓷材料的混合物或遮盖物，可以有利地构造特别薄的多硫化物阻挡层。
特别是多硫化物阻挡层可以包括由至少一种聚烯烃聚醚共聚物和至少一种多硫化物密封陶瓷材料构成的混合物（遮盖物）或由该混合物（遮盖物）来构造。为此可以在合成共聚物期间将多硫化物密封材料的颗粒、例如陶瓷颗粒插入到反应产物中。因此可以有利地获得特别好的多硫化物阻挡效果并且实现薄的层厚度。
关于根据本发明的锂硫电池的其它的特征和优点，就此详尽地参阅与之后所解释的根据本发明的隔离件、之后所解释的根据本发明的锂硫电池组、之后所解释的根据本发明的移动的或固定的系统相关联的解释以及参阅图和图说明。
本发明的另一个主题是用于锂硫电池的隔离件，该隔离件包括至少一种聚烯烃聚醚共聚物。特别是该聚烯烃聚醚共聚物可以是由至少一种从由聚乙烯、聚丙烯和其组合构成的组中所选择的聚烯烃和/或至少一种从由聚乙二醇、聚丙二醇和其组合构成的组中所选择的聚醚所构成的共聚物。特别是该隔离件可以包括至少一个聚烯烃聚醚共聚物层。在此可能的是，该隔离件附加地包括基础层。在此，聚烯烃聚醚共聚物层可以特别是被构造在隔离件的阴极侧上。然而，必要时该隔离件也可以由聚烯烃聚醚共聚物层构成。
关于根据本发明的隔离件的其它的特征和优点，就此详尽地参阅与根据本发明的锂硫电池、之后所解释的根据本发明的锂硫电池组、之后所解释的根据本发明的移动的或固定的系统相关联的解释以及参阅图和图说明。
本发明的另一个主题是一种锂硫电池组，该锂硫电池组包括至少两个根据本发明的锂硫电池和/或包括根据本发明的隔离件。
关于根据本发明的锂硫电池组的其它的特征和优点，就此详尽地参阅与根据本发明的锂硫电池、根据本发明的隔离件、之后所解释的根据本发明的移动的或固定的系统相关联的解释以及参阅图和图说明。
本发明的另一个主题是一种移动的或固定的系统，该系统包括根据本发明的锂硫电池和/或根据本发明的锂硫电池组和/或根据本发明的隔离件。特别是在此可以涉及车辆、例如混合动力车辆、插电式混合动力车辆或电动车辆，例如在房屋或技术设备中的例如用于固定的能量存储的（高）能量存储装置，电动工具，电动园艺设备或电子设备、例如笔记本电脑、PDA或移动电话。
因为锂硫电池有很高的能量密度，所以根据本发明的锂硫电池和电池组特别适合于混合动力车辆、插电式混合动力车辆和电动车辆以及特别是固定的能量存储装置。
关于根据本发明的移动的或固定的系统的其它的特征和优点，就此详尽地参阅与根据本发明的锂硫电池、根据本发明的锂硫电池组、根据本发明的隔离件相关联的解释以及参阅图和图说明。
附图说明
根据本发明的主题的其它的优点和有利的扩展方案通过附图被阐明并且在随后的说明中被解释。在此要注意的是，附图只有说明性的特征并且并不意图以任一形式限制本发明。其中：
图1示出根据本发明的锂硫电池的一种实施方式的示意性横截面；以及
图2示出根据本发明的锂硫电池的另一种实施方式的示意性横截面。
具体实施方式
图1示出一种锂硫电池，该锂硫电池包括含锂的阳极1、含硫的阴极2和其间的、即被布置在含锂的阳极1和含硫的阴极2之间的隔离件3。在此该隔离件3包括基础层3a和多硫化物阻挡层3b，该多硫化物阻挡层被构造在隔离件3的阴极侧上。
该多硫化物阻挡层3b可以有利地阻止多硫化物透过隔离件3并且以此阻止多硫化物到达阳极1并且因此抑制往复机制，该往复机制否则可能导致活性材料的损失。
为了保障阻挡效果，多硫化物阻挡层3b可以包括多硫化物亲和聚合物、多硫化物密封陶瓷或聚合材料或其混合物。
在图2中所示出的实施方式的范围内，多硫化物阻挡层3b被构造为多层的、特别是两层的层系统3b、3b'，在该层系统中层3b包括多硫化物亲和聚合物并且另外的层3b'包括多硫化物密封陶瓷材料，其中多硫化物密封层3b'被构造在多硫化物亲和层3b的背离阴极2的侧上。

Claims (13)

1.锂硫电池，包括：
－含锂的阳极（1），
－含硫的阴极（2），以及
－被布置在含锂的阳极（1）和含硫的阴极（2）之间的隔离件（3），
其中所述隔离件（3）包括基础层（3a）和多硫化物阻挡层（3b），
其中所述多硫化物阻挡层（3b）被构造在所述隔离件（3）的阴极侧上，
其中所述多硫化物阻挡层（3b）包括由至少一种多硫化物亲和聚合物和至少一种多硫化物密封材料构成的混合物，所述多硫化物亲和聚合物能够可逆地化合多硫化物，所述多硫化物密封材料是传导锂离子的并且密封的或者所述多硫化物密封材料是传导锂离子的或不传导锂离子的并且至少具有这样小的孔隙率，使得多硫化物不能穿过该材料，
其中所述多硫化物阻挡层（3b）的至少一种多硫化物亲和聚合物被接到所述基础层（3a）的聚合物链上。
2.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中所述基础层（3a）包括至少一种聚烯烃。
3.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）包括至少一种多硫化物亲和聚合物，其中所述至少一种多硫化物亲和聚合物包括至少一种聚醚，和/或其中所述至少一种多硫化物亲和聚合物包括至少一种聚烯烃聚醚共聚物。
4.根据权利要求3所述的锂硫电池，其中所述至少一种聚醚是聚乙二醇或聚丙二醇。
5.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）包括至少一种多硫化物密封材料，其中所述至少一种多硫化物密封材料包括至少一种传导锂离子的多硫化物密封陶瓷或聚合材料。
6.根据权利要求5所述的锂硫电池，其中所述至少一种传导锂离子的多硫化物密封陶瓷或聚合材料从具有石榴石结构的陶瓷锂离子导体的组中选择。
7.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）与所述基础层（3a）化学地连接。
8.根据权利要求3所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）的至少一种多硫化物亲和聚合物被接到至少一种聚烯烃的聚合物链上。
9.根据权利要求5所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）的至少一种多硫化物密封材料通过结晶或蒸镀被施加到所述基础层上。
10.根据权利要求1或2所述的锂硫电池，其中所述多硫化物阻挡层（3b）被构造为多层的层系统，其中至少一层包括至少一种多硫化物亲和聚合物并且至少一层包括至少一种多硫化物密封材料。
11.锂硫电池组，包括至少两个根据权利要求1到10之一所述的锂硫电池。
12.移动的或固定的系统，包括根据权利要求1到10之一所述的锂硫电池和/或根据权利要求11所述的锂硫电池组。
13.根据权利要求12所述的移动的或固定的系统，其特征在于，所述移动的或固定的系统是车辆、能量存储装置、电动工具、电动园艺设备或电子设备。
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