CN104620416A - 用于锂-硫电池的多孔碳中间层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电化学电池，其包括阳极、含硫阴极、含锂离子电解质和设置在阳极和阴极之间的多孔碳中间层。所述中间层可以透过电解质。所述中间层可以由多壁碳纳米管(MWCNT)或微孔碳纸(MCP)形成。
Description
优先权
本申请根据35 U.S.C.§119要求2012年8月17日提交的美国申请专利申请系列第61/684,572号的优先权。其内容通过参考全文纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于锂-硫(Li-S)电池的多孔碳中间层，并且涉及包含该中间层的电池。具体而言，本发明涉及多孔碳纸中间层。
背景技术
随着绿色能量的新时代的来临，在发展用于运输的电能存储体系，例如电动车辆和电网储能时需要考虑一些标准，例如成本、循环寿命、安全性、效率、能量和功率。Li-S电池是有希望的候选物之一，这是由于相对于目前使用的氧化物和磷酸盐阴极，硫在更安全的～2.1V的工作电压范围下具有1675mAh g-1的高理论容量且成本较低。因此，近年来人们对于Li–S电池研究的兴趣逐渐增加。开发具有长的可接受的循环寿命的高容量(>800mAh g-1)Li–S体系将使得该体系有更大的机会在不久的将来商业化。
三十年之前人们开始了锂-硫电池的早期研究，但是直到近年来重新对电动车(EV)感兴趣，人们的关注点才回到该电池体系。开发Li–S电池的主要障碍是低活性材料利用、较差的循环寿命和较低的充电效率。活性材料的较差利用是由于绝缘硫，它在电化学反应过程中会阻碍电子传递。此外，硫分子与电解质中的锂形成容易溶解的多硫化物中间体(Li2Sx,2<x≤8)，造成严重的不可逆的容量衰减。可溶性的多硫化物在阳极和阴极之间穿梭，导致低库仑效率。因此，改进阴极结构中硫阴极的导电性并维持/再利用可溶性多硫化物对于发展可行的Li-S体系非常关键。
已经开发了许多方法来处理硫阴极的缺陷，例如合成碳-硫复合材料，并施涂导电聚合物的表面涂层。研究显示了在Li-S电池方面有希望的改进，但是材料加工步骤通常费时费力，且成本高，这限制了制造可行的锂-硫电池的可行性。使用硫-碳复合材料以及实施导电聚合物表面改性是全球范围内的实验室用来实现高容量和改进的循环寿命的主要方法。这两种方式能够增强阴极的电导率并在循环过程中抑制可溶性多硫化物中间体的损失，从而改进活性材料利用率和可循环性。此外，低库仑效率的问题已通过向电解质中加入硝酸锂来解决。但是，Li-S电池研究的主流聚焦于阴极和电解质的“内部”改造，而对阴极的“外部”设计，例如电池构造可以成为改进Li-S电池性能的新策略。
发明内容
设计在硫阴极和分隔器之间插入双功能导电性多孔层能够有效地解决上述问题。
本发明涉及电化学电池，其包括阳极、含硫阴极、含锂离子电解质和设置在阳极和阴极之间的多孔碳中间层。所述中间层可以透过电解质。所述中间层可以由多壁碳纳米管(MWCNT)或微孔碳纸(MCP)形成。
附图说明
可以参考以下说明并结合附图来更完整地理解本发明的实施方式及其优点，其中：
图1显示了可充电的Li–S电池的示意电池构造，其中(a)是具有严重穿梭效应和Li2S毒性问题的传统构造，(b)是具有多壁碳纳米管(MWCNT)中间层的新构造；
图2显示了由Li–S电池获得的电化学数据：其中，(a)显示了电池在C/5速率下的可循环性,(b)显示了在循环前测量的电池的区域标准化奈奎斯特(Nyquist)曲线,(c)显示了改造的电池的CV曲线(前10个循环),以及(d)显示了在1C速率下改造的电池的放电/充电曲线；
图3显示了MWCNT纸的形貌,其中(a)显示了循环前的形貌,(b)显示了在1C速率下循环100次之后的形貌,(c)显示了在循环前的原管结构,(d)显示了在循环后的膨胀管,以及(e)显示了(c)的元素绘图；
图4显示了含有和不含有MWCNT中间层的锂-硫电池的高速循环性能和库仑效率；
图5显示了Li–S电池中使用的微孔碳纸(MCP)的方案和形貌，其中(a)显示了含有在硫阴极和分隔器之间插入具有微孔的双功能碳中间层的Li–S电池的示意性构造,(b)显示了MCP的表面的SEM图像,以及(c)显示了微孔碳颗粒的TEM图像；
图6显示了MCP的氮吸收/解吸分析，SEM图像和EDS绘图结果，其中(a)显示了等温线,(b)显示了微孔碳粉末、MCP和100次循环后以1C速率在Li-S电池中作为中间层的MCP的孔径分布,(c)显示了循环前MCP的SEM图像,(d)显示了循环后MCP的SEM图像，(e)显示了(d)中硫的元素绘图，(f)显示了(d)中碳的元素绘图；
图7显示了Li–S电池的电化学测量，其中(a)显示了含有MCP和不含MCP的Li–S电池的EIS曲线,(b)显示了CV扫描,(c)显示了在各种循环下的放电/充电曲线,(d)显示了高达3C的速率容量，以及(e)显示了含有MCP的电池在1C和2C下长循环的循环寿命和库仑效率。
发明详述
本发明涉及用于锂-硫电池的多孔碳中间层，并且涉及包含该中间层的电池。具体而言，本发明涉及多孔碳纸中间层。在一个实施方式中，碳纸中间层可以由碳纳米管形成，并且可具有尺寸在50-100nm的孔。在另一个实施方式中，所述碳纸中间层可具有尺寸小于50nm，尺寸小于10nm，或尺寸小于5nm的孔。在一些实施方式中，所述孔可以具有非均匀的尺寸，而在另一些实施方式中，所述孔可具有均匀尺寸。在一些实施方式中，所述中间层可包括多壁碳纳米管(MWCNT)。在另一些实施方式中，所述中间层可包括微孔碳纸(MCP)。
在一个具体实施方式中，所述碳中间层可包括MCP，所述MCP具有均匀尺寸的孔，其中所述孔的尺寸小于50nm，小于10nm，或小于5nm。如本文所述，与MWCNT实施方式、与具有较大孔径的实施方式或不含均匀孔径的实施方式相比，该实施方式可具有惊人的提高的性能。
更具体而言，相比于阳极的容量，对阴极容量的限制是在锂离子电池领域取得进步的障碍。由于硫比目前使用的阴极具有高出一个量级的容量，因而锂-硫体系变得非常吸引人。但是，低活性材料的利用和较差的循环寿命阻碍了Li-S电池的实用性。本发明涉及对传统Li-S电池体系构造的调整，以实现高容量，以及较长的稳定的循环寿命和快速充电速率。通过设计碳中间层，例如双功能微孔碳纸，用来作为阴极和分隔器之间的联系，可以在活性材料利用效率方面以及在容量保持方面取得显著的改进，并且不需要使用复杂的合成或表面改性方法。插入微孔碳中间层还可减少内电荷传输电阻，使可溶性多硫化物物质限制于局部，有利于制造锂-硫电池的商业可行的装置。
此外，本发明包括在硫阴极和分隔器之间插入双功能导电性多孔层的简便方法，其可增强Li-S电池的比容量和可循环性。该方法可以是简便的、可放大的，并且能够低成本加工。与不含插入层的电池相比，插入碳中间层，例如自立式MWCNT膜或MCP提供了较高的容量和较好的可循环性。可以在电池比容量和循环稳定性方面取得改进。此外，不需要对活性材料的精妙合成或者表面改性。导电性/多孔插入层作为上部集电器不仅能够显著降低硫阴极的电荷传输电阻，而且能够在循环过程中捕获迁移的多硫化物离子。升高的电极电导率可提升活性材料利用率和高速电池性能。此外，多孔膜是用来保持和容纳溶解的活性材料的优异基质。
如图1或图5(a)所示，本发明包括含有碳中间层的Li-S电池，所述碳中间层设置在电池内。此外，本发明包括包含该电池的设备，例如电动车、能量存储电网和其它复杂的能量存储体系。本发明所述的碳中间层可以与现有的Li-S电池一起使用，或者与未来开发的设计一起使用，所述设计存在一个或多个被碳中间层改正的缺陷。尽管在附图中只显示了锂金属阳极，本领域普通技术人员应当理解其它锂离子相容性阳极，例如碳阳极可以用于一些实施方式中。类似地，尽管本文只描述了某些硫基阴极，本领域普通技术人员应理解也可使用其它硫基阴极。电解质可以根据阳极、阴极以及其它因素来选择。
除非另有说明，本文中术语“电池”或“电化学池”可以互换使用，用来命名至少具有阳极、阴极和电解质的器件。
实施例
提供下面的实施例以进一步阐述本发明的某些实施方式。它们并不旨在将本发明限制到这些实施例中所述的成分、组合物、体系、技术或方法。
实施例1-MWCNT碳中间层。
Li-S电池通过在阴极和分隔器之间插入双功能导电性、多孔多壁碳纳米管(MWCNT)纸来制备，这使得Li-S电池的比电容和可循环性都得到提高。自立式MWCNT纸通过以下方式制备：首先对合成的MWCNT进行超声分散，然后在不添加粘合剂的情况下简单真空过滤。在这种简单处理后，自发形成了大片MWCNT纸，该大片MWCNT纸很容易从过滤膜上剥离。锂-硫电池构造的设计示意图可参见图1。在锂-硫电池中插入MWCNT膜降低了硫阴极中的界面电阻，并且增加了将多硫化物在电解质中局域化的优点，因此，避免了不希望的溶解物质向阳极的迁移和扩散。之前的研究表明碳纳米管是具有改进的循环性能的用于硫-碳纳米管复合材料的优异基材。碳纳米管不仅具有优良的导电性网络，而且具有稳定阴极结构的高抗张强度。这种稳定性特别适用于在放电/充电过程中适应硫阴极中发生的严重的体积变化以及防止电极的结构失效。
并非所有的碳纳米管都能够通过“自编织”行为来形成自立式膜。使用相同的方法，另一种市售的具有绝对直的管结构的MWCNT无法形成不含粘合剂的膜。管形状可以使用扫描透射电子显微镜(STEM)观察。如上合成的MWCNT具有不同的曲率，而市售的MWCNT是直的。当石墨烯壁上发生部分缺陷时，或者当MWCNT由于低弹性模量而具有一些构成管的石墨烯层时，MWCNT可能产生弯曲结构。弯曲壁的独特性质使得MWCNT能够容易相互交织。
图2(a)显示了插入MWCNT纸以及不插入MWCNT纸的Li–S电池的可循环性曲线。具有MWCNT中间层的电池的起始放电容量为1446mAh g-1，其是硫的理论容量的86％,并且其大于原始锂-硫电池(671mAh g-1)的两倍。电化学阻抗谱(EIS)是研究Li-S电池的内部阻抗的有力工具。图2(b)的曲线的半圆部分的直径表示电荷传输电阻(Rct)，其主要在电极和电解质之间的界面处产生。加入MWCNT纸后，Rct值从277Ωcm2显著下降至38Ωcm2(在电极面积归一化后计算得到)。导电性中间层用作假-上部集电器，降低了来自高绝缘硫阴极的有效电阻。因此，活性利用率的巨大提高可归因于电极表面与MWCNT纸的导电性网络的纳米尺度接触，这使得电子能够自由通过阴极流动，并加快了电化学反应的动力学。
具有MWCNT中间层的锂-硫电池(图2(a))也具有优异的循环稳定性，在335mA g-1(C/5,C＝1675mA g-1)的电流密度下的第50次循环后，保持很高的比容量，为962mAh g-1。相比之下，在相同循环条件下在50次循环后原始锂-硫电池的比容量仅为～330mAh g-1。具有MWCNT中间层的Li–S电池的循环伏安(CV)扫描(图2(c))前十个循环几乎重叠，在峰强度或位置上几乎没有任何明显变化，表明了该体系优异的循环稳定性。第一还原峰(I)的轻微超电势在第一个循环后消除，这是由于活性硫从原始位置重新排列至具有更低阻抗的能量更稳定的位点。在放电/充电曲线(图2(d))中，两个还原峰(I&II)与两个放电平台(I&II)一致。类似地，两个氧化峰(III&IV)与两个充电平台(III&IV)一致。平台I归因于元素硫(S8)还原成可熔性多硫化物(Li2S4)。平台II对应于固体Li2S2和后续Li2S的形成,平台III表示从Li2S和Li2S2到Li2S4的逆向反应。平台IV归因于由Li2S4氧化成Li2S8/S。在放电和充电过程中观察到的两步式电化学反应是典型的Li–S电池。在放电过程的终点发现了小的放电平台，这归因于电解质中LiNO3的不可逆还原。
为了进一步研究为何简单的多孔中间层能够显著改善Li–S电池的性能，在已循环的电极上进行非原位扫描电子显微镜(SEM)分析。图3(a)显示了如上合成的具有多孔结构的自立式MWCNT纸的微结构图像，其中迂曲的碳纳米管交错。中间层的孔隙率很重要，因为电解质必须穿过该层渗透，使得电化学反应能够在阴极种进行。此外，纸中曲折的孔能够限制多硫化物物质从阴极扩散，MWCNT骨架由于其独特的机械性质能够经受捕获的活性材料的体积变化。100次循环后MWCNT膜覆盖电极的外观(3(b))表明活性材料的累积，意味着碳纳米管用作基质用来在放电/充电的终点通过电化学沉积捕获并保留多硫化物物质，并用作第二氧化还原反应位点。通过观察，很显然，如图2(d)所示，管尺寸在循环后相对于图2(c)所示的循环前发生膨胀，这证明MWCNT优异的捕获多硫化物的能力。图2(e)显示了被MWCNT纸覆盖的已循环电极的元素绘图，其中硫均匀分布在MWCNT中间层中。尽管一部分活性材料可能在中间层网络中形成聚集，但是电子仍然能够很容易地通过绝缘本体经由MWCNT渗透至非活性区域的内部，以激活放电/充电反应。将活性材料均匀分布在坚固的导电性框架中是确保Li–S电池循环稳定性的关键，中间层的设计使得阴极区域能够保持具有捕获的多硫化物物质的稳定结构。
在高速率应用中，Li/MWCNT中间层/S电池体系也表现良好。在C/2和1C的放电/充电速率下，在100次循环后，电池分别保持855和804mAh g-1的高容量(图4)。所用的设计有效地提高了锂-硫电池的速率性能。由于界面电阻下降以及MWCNT带来的丰富反应位点，使得高导电性MWCNT中间层有效地促进了Li–S电池中的快速电化学反应。因此，插入MWCNT纸是在Li–S电池中的简便构造改造，以改善速率容量。
通过将硝酸盐结合入电解质改进了库仑效率，所述库仑效率通过用放电容量除以之前的充电容量计算得到。加入0.1M LiNO3盐的情况下，库仑效率增加至98％。硝酸盐阴离子是一种经证实的锂金属阳极的钝化剂，其会缓解与腐蚀以及由迁移的多硫化物造成的穿梭效应有关的问题。具有MWCNT中间层的锂-硫电池在C/2和1C下100次循环的平均库仑效率大于96％(图4)。
总之，在Li–S电池中插入自立式MWCNT纸的新颖构造显著增强了比容量和循环稳定性。此外，在实现高性能Li-S电池的同时，不需要复杂合成和表面改性。作为假-上部集电器的导电性MWCNT中间层不仅显著降低了硫阴极的电荷传输电阻，还在循环的终点捕获迁移的活性材料。增加的电导率促进了有效活性材料利用率和稳定的高速率电池性能，以及长循环寿命。此外，多孔MWCNT纸提供了用作优异的基质以保留和容纳溶解的中间体多硫化物的优点。
实施例2-MCP碳中间层。
在分隔器和阴极盘之间插入可透过电解质的微孔碳纸(MCP)改善了Li-S电池的电化学性能。电池构造的设计能够有效地降低硫阴极的电阻，使得活性材料利用率提高。此外，具有微孔的碳中间层促进了穿梭在电解质中的可溶性多硫化物的吸收，使得它们甚至在长期循环过程中能够被重新使用。这种双功能碳中间层可以被处理用作第二集电器，用于容纳从硫阴极迁移而来的活性材料。这种新颖的方式不仅能够简化电池加工，不需要精细合成复合材料以及表面化学改性，而且能够改善容量和循环寿命，从而促进Li–S电池的实用性。
具有双功能微孔碳中间层的Li-S电池构造如图5(a)所示。为了在电化学反应过程中捕获来自阴极的迁移的多硫化物(Li2Sx)，可以在分隔器和阴极之间放置所述导电性碳中间层，但是不与锂阳极接触。在该实施例中，使用纯硫粉作为活性材料来制备常规硫阴极，而不使用特殊化复合材料或者采用任意表面化学改性，这是为了证明观察到的可循环性的改进仅源于碳中间层。图2(b)显示了该研究中所用的作为中间层的MCP的扫描电子显微镜(SEM)图像。可以看出，膜中的碳颗粒是纳米尺寸的，其能够提供与硫阴极的精细表面接触，从而降低电阻。此外，中间层表面是高度多孔性的，因而在循环过程中能够实现良好的电解质渗透。MCP中的碳纳米颗粒的粒径为20-40nm(图5(c))，在碳中未发现直径>5nm中孔。
图6(a)显示了在循环之前和之后作为Li–S电池中的中间层的MCP的氮吸附/解吸等温线。可以看出，微孔碳粉末和MCP分别对于低相对压力(P/P0)和高相对压力(P/P0)都具有混合的I型和II型等温线。原料微孔碳粉末和MCP在低于P/P0<0.1的相对压力下具有一定的氮吸附，表明存在微孔。P/P0>0.9后的升高表明MCP的整体孔隙率归因于碳纳米颗粒之间的空隙，为液体电解质提供了大量的通道。由于在P/P0＝0.1–0.9下温和的解吸斜坡，中孔的量是有限的。循环后MCP作为中间层在微孔区域几乎显示了零吸附，表明在Li–S电池的放电/充电过程中这些微孔被填充。在已循环的MCP中发现滞后环的耗减，也表明了一部分中孔被填充。原始的MCP的总表面积高达695m2g-1(65％由微孔提供),但是循环后的MCP的总表面积仅为61m2g-1，这是由于中间层中的孔被填充。100次循环后MCP的总孔体积低达0.288cm3g-1(没有微孔体积),其远远小于原始MCP的总孔体积(1.194cm3g-1；微孔体积为0.215cm3g-1)。图6(b)显示了MCP样品的孔径分布，其中所有试样没有明显的直径大于5nm的孔。由于分析仪的限制，这些曲线的终点在小于1.4nm的孔径处。循环后，MCP的微孔/小-中孔峰几乎消失，表明在电化学循环过程中迁移的活性多硫化物可能被捕获并填充这些孔。
图6(c)和6(d)比较了MCP中间层在循环前和循环后的SEM图像。图6(c)中的MCP具有由微孔碳和粘合剂组成的胶水状颗粒的形貌。100次循环后MCP仍具有包含单独的微孔碳颗粒的球状形貌，表明溶解的活性材料很可能被中间层的孔吸收，而不是形成大的绝缘硫/硫化锂非活性层。这一特征非常有用，因为如果活性材料聚集并不均匀地覆盖阴极的话会发生不可逆的容量损失，这会阻挡电池中的电荷转移反应和离子传输。循环后MCP的表面孔隙率仍然保持，这保证了电解质的渗透。图6(e)和6(f)显示了循环后MCP中间层的元素绘图结果。发现硫信号遍布碳中间层并且分布均匀，确保了活性材料的良好再利用和可逆性。此外，中间层中的碳信号也良好分布且很强，表明导电性碳并没有被硫/硫化物严重覆盖，使得阴极区域的导电性甚至在长期循环后良好。
为了分析Li–S电池中MCP作为碳中间层的影响，进行阻抗分析来比较循环前的含有MCP中间层的电池和没有MCP中间层的电池(图7(a))。Li–S电池位于高频区域的阻抗被认为是电池的电荷传输电阻。插入MCP后阻抗半圆显著收缩约79％，表明电池的电荷传输电阻显著降低。此处，MCP中间层用作低导电性硫阴极的上部集电器，提高了活性材料利用率，从而提升了电池的比电容。图7(b)显示了具有MCP的电池前十次的循环伏安(CV)。在2.3和2.0V附近的两个阴极峰和2.35和2.45V附近的两个重叠的阳极峰是典型的具有碳基阴极的Li–S电池。在第一个循环后第一阴极峰的超电势消失，这是由于迁移的活性材料重新排列到电化学有利的位置。图7(c)中的放电/充电曲线具有两个放电平台和两个紧密间距的充电平台，这与CV曲线相一致。上放电平台表示硫转化为长链多硫化物，下放电平台表示转化为短链多硫化物(Li2S2/Li2S)，这在充电平台中也让人联想到。电池的放电容量值在1C速率下在第一个循环、第二个循环和第50个循环是相同的，不同之处在于上平台(Q上)和下平台(Q下)之间的长度比。在50个循环后观察到的Q下/Q上比(为Q下/Q上＝2.10)比第一个循环后的Q下/Q上比(Q下/Q上＝1.06)高很多。由于代表性微孔碳-硫复合材料阴极在循环过程中仅具有下放电平台，拉伸的Q下对应于来源于微孔捕获的活性材料的容量。此外，据显示，活性材料需要在少量循环后才能在阴极区域达到稳定状态，以提供稳定的电化学性能，这是由于电解质中的中间体多硫化锂的溶解度。硫的非活性芯无法重新利用，直到其在高C速率25下初始循环后才暴露于电解质，这证明了在第二个循环中放电容量甚至高于第一放电容量(图7(c))。
图7(d)显示了具有MCP的电池的速率容量。所述C速率是基于硫的质量和理论容量(1C＝1675mA g-1)。第一放电容量高达1367mAh g-1，这表明有效的碳中间层对提高导电性和活性材料利用率的帮助。具有MCP的电池能够循环高达3C，同时保持大于846mAh g-1的容量达70个循环。如图7(e)所示，在1C下的可循环性在100次循环后保持大于1000mAh g-1，用97.6％的平均库仑效率转化85％的保留率。由于当电池循环时阴极中的硫芯重新利用，前两个循环的充电效率高于100％。在Li–S体系中通常发现活性材料的非活性芯的重新利用，特别是在起始数个循环过程中在高C速率下。在2C的较高速率下长期循环下,具有MCP的电池在150个循环后具有846mAh g-1，以及平均库仑效率>98％；与在1C速率下的电池相比，在前40个循环过程中，其也显示了更大的容量增加。
测试了另一种双峰微孔/中孔碳纸(微孔:～1.5nm；中孔:～9nm)作为锂-硫电池中的中间层；然而，电池性能并没有具有微孔碳中间层的电池那么好。电池中的活性硫首先转化为长链Li2S8，其由2个Li–S键和7个S-S键构成。两种键类型都具有约的键长，因而估计在多硫化物(Li2S8)物质中的最长链长约为2nm。因此，诸如中孔之类的大很多的孔在循环过程中由于尺寸效应不能有效捕获迁移的多硫化物。相反，由于孔和多硫化物离子的尺寸类似，微孔/小-中孔材料具有吸附多硫化物中间体的优势，从而提高Li–S电池的循环可逆性。
总之，微孔碳中间层可显著改善Li–S电池的循环性能，甚至与具有MWCNT中间层的电池相比也是如此。挠性碳纸提供了与阴极表面的良好接触，提供通过绝缘硫/硫化锂的电子通路，并容纳迁移的多硫化物中间体。该具有微孔/小-中孔的双功能碳中间层不仅作为“上部集电器”用来提高活性材料利用率，而且还作为“多硫化物储藏室”用来保持可循环性。
实施例2中使用以下方法：
合成和表征。
通过以下方法制备MCP样本：将具有高表面积的导电性炭黑(Black2000,卡波特公司(CABOT))与聚四氟乙烯粘合剂以3:2质量比以及少量的异丙基醇在研钵中混合，然后进行辊压，并切割成圆形膜。样本的微结构用FEI Quanta 650SEM和JEOL JEM-2010F透射电子显微镜(TEM)检查。使用氮气的物理吸附/解吸在液氮温度下用体积吸附分析仪(NOVA 2000,夸特克罗公司(Quantachrome))来进行布伦纳-埃米特-特勒(Brunauer-Emmett-Teller(BET))表面积测量。根据巴雷特-乔伊纳-海伦达(Barrett–Joyner–Halenda(BJH))方法计算孔径分布。通过t-曲线法估算微孔表面积和体积。
电池组装。
通过以下方法制备硫阴极浆料：在N-甲基吡咯烷酮(NMP；西格玛-艾尔德里奇公司(Sigma-Aldrich))溶液中将70重量％的沉淀硫、20重量％的炭黑(超级P),和10重量％的聚偏二氟乙烯(PVDF；吴羽化学公司(Kureha))粘合剂过夜。将浆料带材浇铸到铝箔上，在空气烘箱中在50℃下干燥24小时，然后进行辊压并切割成圆形电极。在组装电池前，在50℃下在真空烘箱中将阴极盘和MCP中间层干燥1小时。通过以下方法制备电解质：将1.85M LiCF3SO3(阿科斯有机品公司(AcrosOrganics))和0.1M LiNO3(阿科斯有机品公司)盐加入1,2-二甲氧基乙烷(DME；阿科斯有机品公司)和1,3-二氧戊环(DOL；阿科斯有机品公司)以1:1体积比的混合物中。用硫阴极、制得的电解质、MCP中间层、聚丙烯分隔器(卡尔格德公司(Celgard))和锂箔(艾尔德里奇公司(Aldrich))组装CR2032纽扣电池。
电化学。
通过以下方式获得电化学阻抗谱(EIS)数据：使用索拉特瑞恩(Solartron)阻抗分析仪(SI 1260+SI 1287)，从1MHz至100mHz，在电池的开路电压下采用5mV的AC电压振幅，使用Li金属箔作为辅助电极和参比电极。使用可编程的电池循环器(阿宾仪器公司(Arbin Instruments))收集放电/充电曲线和循环数据。用VoltaLabPGZ 402恒压器(Potentiostat)以0.2mV/s的扫描速率在2.8-1.5V的电压范围中收集CV曲线。使用装配有能谱仪(EDS)的Hitachi S-5500SEM进行MCP样本在循环前和循环后的形貌表征和元素绘图。
尽管上面仅仅详细描述了本发明的示例性实施方式，但是应该了解在不偏离本发明的精神和预期保护范围的情况下可以对这些示例进行改良和变化。
Claims (7)
1.一种电化学电池，其包括:
阳极；
含硫阴极；
含锂离子的电解质；以及
设置在所述阳极和所述阴极之间的多孔碳中间层，其中所述中间层可透过所述电解质。
2.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述碳中间层包括多壁碳纳米管(MWCNT)中间层。
3.如权利要求2所述的电池，其特征在于，所述MWCNT中间层包含平均尺寸为50-100纳米的非均匀的孔。
4.如权利要求1所述的电池，其特征在于，所述碳中间层包含微孔碳纸(MCP)碳中间层。
5.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述MCP中间层包含平均尺寸小于50纳米的均匀的孔。
6.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述MCP中间层包含平均尺寸小于10纳米的均匀的孔。
7.如权利要求4所述的电池，其特征在于，所述MCP中间层包含平均尺寸小于5纳米的均匀的孔。
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