CN114597554A - 电容器辅助锂-硫电池组 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及包括电容器电极和/或电容器基中间层的电容器辅助锂‑硫电池组。例如，提供了电容器辅助的锂‑硫电池组，其包括两个或更多个电池。每个电池包括至少两种电极，其选自：包括含硫电活性材料的第一电极；包括负电活性材料的第二电极；包括正电容器活性材料的第一电容器电极；和包括负电容器活性材料的第二电容器电极。每个电极可以与集流体表面相邻设置，并且隔离件可以设置在相邻电极之间，由此提供电分离。两个或更多个电池之一包括第一电极与第二电极，并且没有电池包括第一电极与第一电容器电极二者或第二电极与第二电容器电极二者。每个电池可以进一步包括至少一个电容器基中间层。

Description

电容器辅助锂-硫电池组
引言
本章节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
需要先进的储能装置和系统以满足多种产品的能量和/或动力要求，包括汽车产品，如启停系统（例如12V启停系统）、电池组辅助系统、混合动力电动车（“HEV”）和电动车（“EV”）。锂硫电池组可以提供高能量密度（例如最高达大约2500 Wh/kg），通常可以以更低的成本获得，并且是环境友好的。但是，在某些情况下，例如由于硫及其还原产物（例如为Li2S和/或Li2S2的形式）的绝缘性，锂-硫电池组可能具有有限的倍率容量。因此，合意的是开发具有高能量密度和提高的功率容量的材料和系统。
发明概述
本部分提供本公开的概括性总结，并且并非全面披露其全部范围或其所有特征。
本公开涉及包括一个或多个电容器电极和/或一个或多个电容器基中间层的电容器辅助的锂-硫电池组。
在各个方面，本公开提供了一种包括两个或更多个电池的电容器辅助的锂-硫电池组。每个电池包括至少两个电极，其选自：包含含硫电活性材料的第一电极；包括负电活性材料的第二电极；包括正电容器活性材料的第一电容器电极；和包括负电容器活性材料的第二电容器电极。每个电极可以与集流体表面相邻设置，并且隔离件可以设置在相邻电极之间，以便在第一与第二电极、第一电极与第二电容器电极、第二电极与第一电容器电极和第一与第二电容器电极之间提供电分离。两个或更多个电池之一包括该第一电极与该第二电极，并且没有电池包括第一电极与第一电容器电极二者（一起）或第二电极与第二电容器电极二者（一起）。
在一个方面，该第一电极可以进一步包含硫基质材料。
在一个方面，该第一电极包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%的硫基质材料。
在一个方面，该硫基质材料可以选自：碳纳米管、无定形碳、多孔碳、碳纳米纤维、碳球、碳纳米笼、石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、掺杂碳、聚苯胺（PAN）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（Pt）、聚苯胺（PAni）、聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）、TiO2、SiO2、CoS2、Ti4O7、CeO2、MoO3、V2O5、SnO2、Ni3S2、MoS2、FeS、VS2、TiS2、TiS、CoS2、Co9S8、NbS、VN、TiN、Ni2N、CrN、ZrN、NbN、TiC、Ti2C、B4C、Ni基-MOF、Ce基-MOF、聚吡咯/石墨烯、氮化钒/石墨烯、MgB2、TiCl2、磷烯、C3B、Li4Ti5O12及其组合。
在一个方面，该负电活性材料包含锂金属。
在一个方面，该正电容器活性材料可以选自：活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物及其组合。
在一个方面，该负电容器活性材料可以选自：锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
在一个方面，每个电池包括该第一电极与该第二电极，并且每个电池可以进一步包括至少一个电容器基中间层。
在一个方面，该至少一个电容器基中间层可以设置在第一电极与隔离件之间。
在一个方面，该至少一个电容器基中间层可以包括正电容器活性材料。该正电容器活性材料可以选自：活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物及其组合。
在一个方面，该至少一个电容器基中间层可以设置在第二电极与隔离件之间。
在一个方面，该至少一个电容器基中间层可以包含负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以选自：锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
在一个方面，该至少一个电容器基中间层可以包括第一电容器基层和第二电容器基层。该第一电容器基层可以设置在第一电极与隔离件之间。该第二电容器基中间层可以设置在第二电极与隔离件之间。该第一电容器基层可以是正电容器基层。该第二电容器基中间层可以是负电容器基层。
在一个方面，该至少一个电容器基层可以具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度。
在各个方面，本公开提供了一种电容器辅助锂-硫电化学电池。该电容器辅助锂-硫电化学电池可以包括具有第一表面的第一集流体；与第一集流体的第一表面相邻设置的第一电极；具有第一表面的第二集流体，其中第二集流体的第一表面与第一集流体的第一表面基本平行；与第二集流体的第一表面相邻设置的电容器电极；和设置在第一电极与电容器电极之间的隔离件。该第一电极可以包含含硫电活性材料。该电容器电极可以包含负电容器活性材料。
在一个方面，该第一电极可以包含大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%的硫基质材料。
在一个方面，该负电容器活性材料可以选自：锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
在各个方面，本公开提供了一种电容器辅助锂-硫电化学电池。该电容器辅助锂-硫电化学电池可以包括具有第一表面的第一集流体；与第一集流体的第一表面相邻设置的第一电极；具有第一表面的第二集流体，其中第二集流体的第一表面与第一集流体的第一表面基本平行；与第二集流体的第一表面相邻设置的第二电极；设置在第一和第二电极之间的隔离件；和设置在第一电极与隔离件之间或第二电极与隔离件之间之一的电容器基中间层。该第一电极可以包含含硫电活性材料。该电容器基中间层可以具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度。
在一个方面，该电容器基中间层可以设置在第一电极与隔离件之间。该电容器基中间层可以包括正电容器活性材料。该正电容器活性材料可以选自：活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物及其组合。
在一个方面，该电容器基中间层可以设置在第二电极与隔离件之间。该电容器基中间层可以包括负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以选自：锂化活性炭、锂化软质碳、硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
由本文中提供的描述容易看出其它适用领域。概述中的描述和具体实例仅意在举例说明而无意限制本公开的范围。
附图概述
本文中描述的附图仅用于说明所选实施方案而非所有可能的实施方式，并且无意限制本公开的范围。
图1是包括锂离子电容器阴极的示例性电化学电池组电池的示意图；
图2是包括锂离子电容器阳极的示例性电化学电池组电池的示意图；
图3是包括电双层电容器（EDLC）的示例性电化学电池组电池的示意图；
图4是具有不对称阴极的示例性电化学电池组电池的示意图；
图5是具有不对称阳极的示例性电化学电池组电池的示意图；
图6是具有设置在阴极与隔离件之间的电容器基中间层的示例性电化学电池组电池的示意图；
图7是具有设置在阳极与隔离件之间的电容器基中间层的示例性电化学电池组电池的示意图；和
图8是具有设置在阴极与隔离件之间的第一电容器基中间层和设置在阳极与隔离件之间的第二电容器基中间层的示例性电化学电池组电池的示意图。
在附图的几个视图中，相应的标号指示相应的部件。
发明详述
提供示例性实施方案以使本公开彻底并向本领域技术人员充分传达其范围。阐述了许多具体细节，例如具体组成、组分、装置和方法的实例，以提供本公开的实施方案的充分理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要使用具体细节，示例性实施方案可以具体体现为许多不同的形式，它们都不应被视为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语仅为了描述特定的示例性实施方案而无意作为限制。除非上下文清楚地另行指明，本文所用的单数形式“一”和“该”旨在也包括复数形式。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是可兼的，因此规定了所述特征、要素、组合物、步骤、整数、操作和/或其集合的存在，但不排除一种或更多种其它特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其集合的存在或加入。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求保护本文中所述的各种实施方案的非限制性术语，但在某些方面，该术语可替代地理解为更具限制性和局限性的术语，如“由……组成”或“基本由……组成”。由此，对叙述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤的任意给定实施方案，本公开还具体包括由或基本由此类所述组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代实施方案排除任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，而在“基本由……组成”的情况下，从此类实施方案中排除实质上影响基本和新颖特性的任何附加的组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤，但是实质上不影响基本和新颖特性的任何组合物、材料、组分、要素、特征、整数、操作和/或工艺步骤可以包括在该实施方案中。
本文中描述的任何方法步骤、工艺和操作不应解释为必定要求它们以所论述或例示的特定次序实施，除非明确确定为一定的实施次序。还要理解的是，除非另行说明，可以使用附加或替代的步骤。
当组件、元件或层被提到在另一元件或层“上”、“啮合”、“连接”或“耦合”到另一元件或层上，其可以直接在另一组件、元件或层上、啮合、连接或耦合到另一组件、元件或层上，或可能存在中间元件或层。相反，当一种元件被提到直接在另一元件或层上、“直接啮合”、“直接连接”或“直接耦合”到另一元件或层上，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它词语应以类似方式解释（例如“之间”vs“直接在...之间”，“相邻”vs“直接相邻”等）。本文所用的术语“和/或”包括一个或多个相关罗列项的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或区段，但这些步骤、元件、组件、区域、层和/或区段不应受这些术语限制，除非另外指明。这些术语可能仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或区段区分于另一步骤、元件、组件、区域、层或区段。除非上下文中清楚明示，术语如“第一”、“第二”和其它数值术语在本文中使用时并不暗示次序或顺序。因此，下文论述的第一步骤、元件、组件、区域、层或区段可以被称作第二步骤、元件、组件、区域、层或区段而不背离示例性实施方案的教导。
为了容易描述，在本文中可以使用空间或时间上相对的术语，如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下”、“下方”、“下部”、“上”、“上部”等描述如附图中所示的一种元件或特征与另一元件或特征的关系。空间或时间上相对的术语旨在包括除附图中所示的取向外该装置或系统在使用或操作中的不同取向。
在本公开通篇中，数值代表近似测量值或范围界限以包括与给定值的轻微偏差和大致具有所列值的实施方案以及确切具有所列值的实施方案。除了在详述最后提供的实施例中之外，本说明书（包括所附权利要求）中的参数（例如量或条件）的所有数值应被理解为在所有情况中被术语“大约”修饰，无论在该数值前是否实际出现“大约”。“大约”是指所述数值允许一定的轻微不精确（接近该值的精确性；大致或合理地接近该值；几乎）。如果由“大约”提供的不精确性在本领域中不以这种普通含义理解，本文所用的“大约”至少是指可能由测量和使用此类参数的普通方法造成的变动。例如，“大约”可以包含小于或等于5%、任选小于或等于4%、任选小于或等于3%、任选小于或等于2%、任选小于或等于1%、任选小于或等于0.5%和在某些方面任选小于或等于0.1%的变动。
此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步细分范围的公开，包括对这些范围给出的端点和子范围。
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。
本技术涉及改进的电化学电池，其包括一种或多种电容器组件或添加剂，并且其可以并入储能装置，例如锂硫电池组中。此类电化学电池可以具有混合结构，以便将高功率容量电容器与锂硫电池组的高能量密度集成在一起。在各种情况下，该电化学电池和储能装置可以用于例如汽车或其它车辆（例如摩托车、船、拖拉机、公共汽车、摩托车、活动房屋、野营车和坦克）。但是，混入此类电化学电池的所述电化学电池和储能装置也可用于多种其它行业和应用，作为非限制性实例包括航空航天部件、消费品、装置、建筑物（例如房屋、办公室、棚屋和仓库）、办公设备和家具、以及工业设备机械、农业或农场设备、或重型机械。
典型的锂-硫电池组包括与第二电极（如锂负电极或锂阳极）相对的第一电极（如硫正电极或硫阴极）和设置在二者之间的隔离件和/或电解质。该第一和第二电极分别连接到第一和第二集流体（通常为金属，如对阳极为铜，对阴极为铝）上。与两个电极相关的集流体通过外部电路连接，该外部电路允许电子生成的电流在电极之间传递以补偿锂离子跨越电池组电池的传输。例如，在电池放电过程中，由负电极向正电极的内部锂离子（Li+）离子电流可以通过经外部电路由电池组电池的负电极流向正电极的电子电流来补偿。该电解质适于传导锂离子，并在各个方面可以为液体、凝胶或固体形式。
在各个方面，多个锂硫电池组电池可以在电化学装置中电连接以提高整体输出。例如，锂-硫电池组电池可以以堆叠或卷绕配置电连接以提高整体输出。堆叠通常包括以交替布置定位第一和第二集流体以及相应的第一和第二电极，隔离件和/或电解质设置在电极之间。该集流体可以以串联或并联方式电连接。在混合型或电容器辅助型锂-硫电池组的情况下，可以将起到电容器功能的电容器材料集成到电池堆中。例如，在各个方面，该电容器辅助电池组可以包括一种或多种电容器组件或层，其与该电池组的一个或多个电极平行或堆叠。
此类电容器辅助的锂-硫电池组可以提供若干优点，如功率响应，以及改进的长期性能。例如，可以通过混入电容器组件层或材料来改进功率响应。在混合电池包或电池中的每种电极（包括正电极和负电极和电容器电极）可以电连接到集流体上。在电池组使用过程中，与该电极关联的集流体通过外部电路连接，该外部电路允许电子生成的电流在电极之间传递以补偿锂离子的传输。
在图1中显示了一种示例性电容器辅助的锂-硫电池（也称为电池组）20的示例性和示意性图示。该电容器辅助的锂-硫电池组20包括多个电池10A–10C。尽管仅显示了三个电池，技术人员将理解，本教导适用于各种其它电池组配置，包括具有更少或更多电池的电池组，如省略号所示。每个电池10A–10C包括负电极22（例如阳极）、正电极24（例如阴极）和设置在两个电极22、24之间的隔离件26。该电池10A–10C中的至少一个包括电容器电极（例如锂离子电容器阴极）30代替电极22、24之一。例如，如所示那样，可以设置电容器电极30代替第一电池10A中的阴极24。在每种情况下，该隔离件26在电极22、24、30之间提供电分离（例如防止物理接触）。该隔离件26还在锂离子循环过程中为锂离子和在某些情况下的相关阴离子的内部通行提供了最小电阻路径。在各个方面，该隔离件26包含电解质100，其在某些方面也可以存在于负电极22、正电极24和/或电容器电极30中。在某些变体中，该隔离件26可以由固态电解质形成。例如，该隔离件26可以由多个固态电解质粒子（未显示）限定。
负电极集流体32可以位于各负电极22处或附近，正电极集流体34可以位于各正电极24和/或电容器电极30处或附近。该负电极集流体32与该正电极集流体34分别由外部电路40收集自由电子并使自由电子移动至外部电路40。例如，可中断的外部电路40和负载装置42可以连接负电极22（通过负电极集流体32）和正电极24和/或电容器电极30（通过正电极集流体34）。
负电极集流体32可以是金属箔、金属格栅或筛网、或包含铜或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料（如(仅举例)铝、镍、铁、钛、锡等等）的多孔金属（expandedmetal）。该负电极集流体32可以具有大于或等于大约4 µm至小于或等于大约100 µm的厚度。
正电极集流体34可以是金属箔、金属格栅或筛网、或包含铝或本领域技术人员已知的任何其它合适的导电材料（如(仅举例)铜、不锈钢、镍、铁、钛和锡等等）的多孔金属。例如，在某些方面，该正电极集流体34可以是二维集流体，其具有大于或等于大约4 µm至小于或等于大约100 µm的厚度并包含（仅举例）铝、碳涂覆铝、不锈钢、镍、铁、钛、铜、锡和其它类似导电材料。在其它变体中，该正电极集流体34可以是三维集流体，其具有大于或等于大约4 µm至小于或等于大约2000 µm的厚度并包含（仅举例）网状集流体、铝泡沫、镍泡沫、铜泡沫、碳纳米纤维三维集流体、石墨烯泡沫、碳布、碳纤维包埋的碳纳米管、碳纳米管三维集流体（如碳纳米管纸）、石墨烯/镍泡沫等等。
尽管并未显示，技术人员将认识到，本教导还适用于各种其它电极配置，包括例如，包含一个或多个附加的负电极、一个或多个附加的正电极和一个或多个附加的电容器电极、电容器辅助电极或复合电极的电容器辅助的锂-硫电池组。在每种情况下，该电容器辅助电池组包括交替的被正电极或正电容器电极隔开的负电极的堆叠或被负电极或负电容器电极隔开的正电极的堆叠。
该电池组20可以通过在外部电路40闭合（以连接负电极22和正电极24和/或电容器电极30）且负电极22的电势低于正电极24时发生的可逆电化学反应在放电过程中产生电流。在每种情况下，正电极24与负电极22之间的化学势差驱动由负电极22处的反应——例如锂（例如锂金属）的氧化——所产生的电子穿过外电路40朝向正电极24和/或电容器电极30。在负电极22处产生的锂离子同时经由隔离件26中所含电解质100朝向正电极24和/或电容器电极30转移。电子流过外部电路40且锂离子穿过含有电解质100的隔离件26迁移，以便在正电极24处形成Li2S和/或Li2S2，例如逐步和/或被电容器电极30吸附。如上所述，电解质100通常也存在于负电极22和正电极24中。穿过外部电路40的电流可以被利用并被引导通过负载装置42，直到电池组20的容量减小。
该电池组20可以随时通过将外部电源连接到该电池组20以逆转在电池组放电过程中发生的电化学反应来充电或重新赋能。将外部电源连接到电池组20上促进了正电极24处的反应（例如Li2S和/或Li2S2的非自发氧化）和/或Li+在电容器电极30处的沉积，由此产生电子和锂离子。锂离子通过电解质100跨越隔离件26流回负电极22，以便用锂补充负电极22以便在下一次电池组放电事件过程中使用。由此，完整的放电事件以及随后的完整的充电事件被认为是一个循环，其中锂离子在正电极24和/或电容器电极30与负电极22之间循环。可用于将电池组20充电的外部电源可以根据电池组20的尺寸、结构和特定的最终用途而不同。一些值得注意和示例性的外部电源包括但不限于通过壁装插座连接到AC电网上的AC-DC转换器和汽车交流发电机。
在许多电池组20配置中，负电极集流体32、负电极22、隔离件26、正极24、正电极集流体34和电容器电极30中的每一个可被制备为相对薄的层（例如几微米至零点几毫米或更小的厚度）并且以电并联布置连接的层形式组装以提供合适的电能和功率包。在各个方面，该电池组20还可以包括多种其它组件，这些组件尽管并未在本文中描绘，但仍然是本领域技术人员已知的。例如，该电池组20可以包括外壳、垫圈、端帽、极耳、电池组端子以及可能位于该电池组20内（包括在负电极22、正电极24、电容器电极30和/或隔离件26之间或周边）的任何其它常规组件或材料。图1中显示的电池组20包括液体电解质100，并显示了代表性的电池组运行概念。但是，如本领域技术人员已知的那样，本技术也适用于可能具有不同设计的包含固态电解质和固态电活性粒子的固态电池组。
如上所述，该电池组20的尺寸和形状可以根据设计其的特定应用而改变。电池组供电的车辆和手持式消费电子设备例如是两个实例，其中该电池组20最有可能被设计为不同的尺寸、容量和功率输出规格。该电池组20还可以与其它类似的锂离子和/或锂-硫电池或电池组串联或并联连接，以便在负载装置42需要的情况下产生更大的电压输出、能量和功率。因此，该电池组20可以生成向着负载装置42的电流，该负载装置42是外部电路40的一部分。该负载装置42可以由电池组20放电时通过外部电路40的电流来供电。虽然该电气负载装置42可以是任何数量的已知电动装置，一些具体实例包括用于电气化车辆的电动机、膝上型计算机、平板计算机、移动电话和无绳电动工具或器具。该负载装置42还可以是为了存储电能而对电池组20充电的发电设备。
重新参照图1，正电极24、负电极22、电容器电极30和隔离件26可以各自在其孔隙内部包括电解质溶液或体系100，能够在负电极22与正电极24和/或电容器电极30之间传导锂离子。能够在负电极22与正电极24和/或电容器电极30之间传导锂离子的任何合适的电解质100，无论是固体、液体或凝胶形式，均可用于电池组20。在某些方面，该电解质100可以是非水性液体电解质溶液，其包括溶解在有机溶剂或有机溶剂的混合物中的锂盐。在某些变体中，该电解质100 可以进一步包含一种或多种添加剂。例如，该电解质100可以包含大于或等于大约0.01 M至小于或等于大约1.0 M的一种或多种添加剂。该一种或多种添加剂可以包括（仅举例）LiNO3、Li2Sx（其中4 ≤ x ≤ 8）、P2S5、含磷阻燃剂添加剂（例如三(2,2,2-三氟乙基)亚磷酸酯(TTFP)）、氧化还原介体（例如LiI）等等。许多常规的非水性液体电解质100溶液可用于电池组20。
在某些方面，该电解质100可以是包含一种或多种溶解在有机溶剂或有机溶剂的混合物中的锂盐（例如大于或等于大约0.5 M至小于或等于大约20 M）的非水性液体电解质溶液。例如，可以溶解在有机溶剂中以形成非水性液体电解质溶液的锂盐的非限制性名单包括双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）、双(五氟乙磺酰)酰亚胺锂（LiBETI）、六氟磷酸锂（LiPF6）、高氯酸锂（LiClO4）、四氯铝酸锂（LiAlCl4）、碘化锂（LiI）、溴化锂（LiBr）、硫氰酸锂（LiSCN）、四氟硼酸锂（LiBF4）、四苯基硼酸锂（LiB(C6H5)4）、双(草酸根合)硼酸锂（LiB(C2O4)2）（LiBOB）、二氟草酸根合硼酸锂（LiBF2(C2O4)）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、三氟甲磺酸锂（LiCF3SO3）、双(三氟甲烷)磺酰酰亚胺锂（LiN(CF3SO2)2）、双(氟代磺酰)酰亚胺锂（LiN(FSO2)2）（LiSFI）及其组合。
这些其它类似的锂盐可以溶解在许多非水性非质子有机溶剂中，所述有机溶剂包括但不限于各种碳酸烷基酯，如环状碳酸酯（例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸亚乙酯(FEC)）、直链碳酸酯（例如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙基甲基酯(EMC)）、脂族羧酸酯（例如甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯）、γ-内酯（例如γ-丁内酯、γ-戊内酯）、链结构醚（例如1,2-二甲氧基乙烷(DME)、1-2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷）、环醚（例如四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,3-二氧戊环(DOL)）、硫化合物（例如环丁砜）、氟化醚（例如1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚(HFE)）、非质子离子液体（例如N-甲基-N-丁基哌啶鎓双(三氟甲磺酰)酰胺([PP14][TFSI])）、溶剂合物离子液体（例如四甘醇二甲醚(G4)）及其组合。
在某些方面，作为非限制性实例，示例性电解质体系100包含在1,3-二氧戊环（DOL）/ 1,2-二甲氧基乙烷（DME）（1:1 v/v）中的1M双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）、在含有0.1M LiNO3的1,3-二氧戊环（DOL）/ 1,2-二甲氧基乙烷（DME）（1:1 v/v）中的1M双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）、和在1,3-二氧戊环（DOL）/1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚（HFE）（1:2 v/v）中的1.0M双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）。在其它变体中，示例性电解质体系100是浓缩电解质，其包括（仅举例）在1,2-二甲氧基乙烷（DME）/1,3-二氧戊环（DOL）中的7M双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）、在N-甲基-N-丁基哌啶鎓双(三氟甲磺酰)酰胺中的1M双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂（LiTFSI）（[PP14][TFSI]）、[Li(G4)][TFSI]/4(1,1,2,2-四氟乙基2,2,3,3-四氟丙基醚(HFE)), 0.2M LiOH水溶液等等。
该隔离件26可以是具有大于或等于大约30体积%至小于或等于大约80体积%的孔隙率的多孔隔离件。在某些情况下，该多孔隔离件26可以包括包含聚烯烃的多微孔聚合物隔离件。该聚烯烃可以是均聚物（衍生自单一单体成分）或杂聚物（衍生自超过一种单体成分），其可以是直链或支链的。如果杂聚物衍生自两种单体成分，该聚烯烃可以具有任何共聚物链排列，包括嵌段共聚物或无规共聚物的那些。类似地，如果该聚烯烃是衍生自超过两种单体成分的杂聚物，其同样可以是嵌段共聚物或无规共聚物。在某些方面，该聚烯烃可以是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、或聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的共混物，或聚乙烯（PE）和/或聚丙烯（PP）的多层结构化多孔膜。市售聚烯烃多孔隔膜包括可获自Celgard LLC的CELGARD®2500（一种单层聚丙烯隔离件）和CELGARD® 2320（一种三层聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔离件）。
当该隔离件26是多微孔聚合物隔离件时，其可以是单层或多层层压材料，其可以由干法或湿法工艺制造。例如，在某些情况下，单个聚烯烃层可以形成整个隔离件26。在其它方面，该隔离件26可以是纤维膜，其具有在相对表面之间延伸的大量空隙，并可以具有例如小于1毫米的平均厚度。但是，作为另一实例，可以组装多个相似或不相似的聚烯烃的离散层以形成该多微孔聚合物隔离件26。除了聚烯烃之外，该隔离件26还可以包含其它聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚酰胺、聚酰亚胺、聚(酰胺-酰亚胺)共聚物、聚醚酰亚胺和/或纤维素，或适于生成所需多孔结构的任何其它材料。该聚烯烃层和任何其它任选的聚合物层可以以纤维层形式进一步包含在该隔离件26中以帮助该隔离件26具有适当的结构和孔隙率特性。
在某些方面，该隔离件26还可以与陶瓷材料混合，或其表面可以涂覆陶瓷材料。例如，陶瓷涂层可以包括氧化铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2）、二氧化钛（TiO2）或其组合。在其它变体中，该隔离件26可以涂覆以一种或多种涂层，所述涂层配置为阻断多硫化物扩散。例如，该隔离件26 可以包括 KETJENBLACK®碳涂覆的聚丙烯（PP）、碳纳米管涂覆的聚丙烯（PP）、氧化石墨烯涂覆的聚丙烯（PP）、石墨烯涂覆的聚丙烯（PP）、MOF涂覆的聚丙烯（PP）、MoS2涂覆的聚丙烯（PP）、MoS2/碳纳米管涂覆的聚丙烯（PP）、MnO涂覆的聚丙烯（PP）、Li4Ti5O12/石墨烯涂覆的聚丙烯（PP）等等。在再其它变体中，该隔离件26可以是聚多巴胺涂覆的聚烯烃、Nafion涂覆的聚丙烯（PP）、纳米管/聚乙二醇（PEG）涂覆的聚丙烯（PP）、SiO2/聚环氧乙烷（PEO）涂覆的聚丙烯（PP）等等。设想了用于形成该隔离件26的各种市售聚合物和商业产品，以及可用于制造此类多微孔聚合物隔离件26的许多制造方法。
在各个方面，可以用同时充当电解质和隔离件的固态电解质（“SSE”）（未显示）取代图1中的多孔隔离件26和电解质100。该固态电解质可以设置在正电极24和负电极22之间。该固态电解质有助于锂离子的传递，同时机械分隔负电极与正电极22、24并在二者之间提供电绝缘。作为非限制性实例，固态电解质可以包括LiTi2(PO4)3、LiGe2(PO4)3、Li7La3Zr2O12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li3PO4、Li3N、Li4GeS4、Li10GeP2S12、Li2S-P2S5、Li6PS5Cl、Li6PS5Br、Li6PS5I、Li3OCl、Li2.9Ba0.005ClO或其组合。
每个负电极22包含提供锂源的锂材料，其能够与含硫正电活性材料发生电化学反应。例如，该负电极22可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极22包括一个或多个由锂金属或锂合金形成的薄膜或层。在某些变体中，该负电极22可以由多个负电活性材料粒子（未显示）限定。此类负电活性材料粒子可以以一个或多个层设置以限定该负电极22的三维结构。也可用于形成负电极22的其它负电活性材料包括例如碳质材料（如石墨、硬质碳、软质碳）、锂-硅、以及含硅二元和三元合金和/或含锡合金（如Si、SiOx、Si-Sn、SiSnFe、SiSnAl、SiFeCo、SnO2等等）和/或金属氧化物（如Fe3O4）。在某些替代实施方案中，设想了锂-钛阳极材料，如Li4+xTi5O12，其中0 ≤ x ≤ 3，包括钛酸锂（Li4Ti5O12）（LTO）。此类电活性材料应当是锂化的。
在每种情况下，限定负电极22的负电活性材料可以任选与一种或多种提供电子传导路径的导电材料和/或至少一种改善负电极22的结构完整性的聚合物粘结剂材料混杂。例如，负电极22中的负电活性材料可以任选与粘结剂混杂，所述粘结剂例如裸藻酸盐（barealginate salts）、聚(四氟乙烯)（PTFE）、羧甲基纤维素钠（CMC）、苯乙烯-丁二烯橡胶（SBR）、聚(偏二氟乙烯)（PVDF）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸酯（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠、藻酸锂、三元乙丙橡胶（EPDM）及其组合。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子，或导电聚合物。碳基材料可以包括例如炭黑粒子、石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管（例如气相生长的碳纤维(VGCF)）、石墨烯、氧化石墨烯等等。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。
例如，该负电极22可以各自包含大于或等于大约30重量%至小于或等于大约99.5重量%、和在某些方面任选大于或等于大约50重量%至小于或等于大约95重量%的负电活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该负电极22可以具有大于或等于大约0.2 μm至小于或等于大约500 μm的厚度。
每个正电极24可以由多个电活性材料粒子（未显示）限定，该电活性材料粒子以一个或多个层设置以限定正电极24的三维结构。例如，该正电极24可以包含含硫的正电活性材料。例如，该正电极24可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极24可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
该含硫电活性材料可以包含（仅举例）S。该硫基质材料可以是基于碳的基质，包括（仅举例）碳纳米管、无定形碳（例如炭黑，如KETJENBLACK®）、多孔碳、碳纳米纤维、碳球、碳纳米笼、石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、掺杂碳（例如N掺杂的碳纳米管）和混合物与类似物。在某些变体中，该硫基质材料可以是基于导电聚合物的基质，包括（仅举例）聚苯胺（PAN）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（Pt）、聚苯胺（PAni）、聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐) （PEDOT:PSS）等等。在其它变体中，该硫基质材料可以是基于金属氧化物的基质，包括（仅举例）TiO2、SiO2、CoS2、Ti4O7、CeO2、MoO3、V2O5、SnO2等等；基于金属硫化物的基质，包括（仅举例）Ni3S2、MoS2、FeS、VS2、TiS2、TiS、CoS2、Co9S8、NbS等等；基于金属氮化物的基质，包括（仅举例）VN、TiN、Ni2N、CrN、ZrN、NbN等等；基于金属碳化物的基质，包括（仅举例）TiC、Ti2C、B4C等等；基于金属有机框架（MOF）的基质，包括（仅举例）Ni基MOF、Ce基MOF等等；和混合物或其组合（例如聚吡咯/石墨烯、氮化钒/石墨烯等等）。在再其它变体中，该硫基质材料可以包括MgB2、TiCl2、磷烯、C3B、Li4Ti5O12等等。此类硫基质材料可以增强硫/基质界面处的电子传递、适应电池20中的体积变化、尽量减少多硫化物穿梭（shuttle）和/或促进多硫化物中间体中的转化。
限定正电极24的正电活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该正电活性材料与电子或电气导电材料可以与此类粘合剂一起浆料浇注（slurry cast），此类粘合剂如聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚(环氧乙烷)（PEO）、聚(乙烯基吡咯烷酮)（PVP）、聚(乙二醇)（PEG）、三元乙丙橡胶（EPDM）、或羧甲基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）、 苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸酯（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠或藻酸锂。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子（例如金属丝和/或金属氧化物）、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管（例如气相生长的碳纤维(VGCF)）、石墨烯、氧化石墨烯等等的粒子。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。在某些方面，可以使用导电材料的混合物。
例如，各正电极24可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料；大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该正电极24可以具有大于或等于大约1 μm至小于或等于大约1000 μm的厚度。
如上所述，该电容器电极30可以是正电容器电极（例如电容器阴极）或在某些其它方面可以是负电容器电极（例如电容器阳极），如下文讨论的那样。该正电容器电极30可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300 µm的厚度。该正电容器电极30可以包括电容器活性材料，例如正电容器活性材料。该正电容器活性材料可以包括（仅举例）活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物（例如PEDOT）等等。
限定正电容器电极30的正电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该正电容器活性材料与电子或电气导电材料可以与此类粘合剂一起浆料浇注，此类粘合剂如聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚(环氧乙烷)（PEO）、聚(乙烯基吡咯烷酮)（PVP）、聚(乙二醇)（PEG）、三元乙丙橡胶（EPDM）、或羧甲基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）、苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸酯（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠或藻酸锂。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子（例如金属丝和/或金属氧化物）、或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管（例如气相生长的碳纤维(VGCF)）、石墨烯、氧化石墨烯等等的粒子。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。在某些方面，可以使用导电材料的混合物。
例如，该正电容器电极30可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的正电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
在图2中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）120的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助电池组120包括多个电池110A–110C。每个电池110A–110C 包括负电极122（例如阳极）、正电极124（例如阴极）、和设置在两个电极122、124之间的隔离件126。电池110A–110C中的至少一个包括电容器电极136取代该电极122、124中的一个。例如，如所示那样，在第三电池110C中可以设置电容器电极（例如锂离子电容器阳极）136取代阳极122。在每种情况下，该隔离件126在电极122、124、136之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件126包含电解质160，该电解质在某些方面也可以存在于负电极122、正电极124和/或电容器电极136中。
类似于电池组20，电池组120 包括一个或多个负电极集流体132和正电极集流体134。负电极集流体132可以位于每个负电极122和/或电容器电极136处或附近，并且正电极集流体134可以位于每个正电极124处或附近。该负电极集流体132与该正电极集流体134分别由外部电路140收集自由电子并使自由电子移动至外部电路140。例如，可中断的外部电路140和负载装置142可以连接正电极124（通过正电极集流体134）和负电极122（通过负电极集流体132）和/或电容器电极136（通过负电极集流体132）。
类似负电极22，每个负电极122可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极122是由锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极124可以包含含硫的正电活性材料。该正电极124可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极124可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
该电容器电极136可以是负电容器电极（例如电容器阳极）。该电容器电极136可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300 µm的厚度。该电容器电极136 可以包含锂化电容器活性材料，例如，提供用于电化学反应的锂（例如锂源）的锂化负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以包含（仅举例）锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物等等。
限定负电容器电极136的锂化负电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该负电容器活性材料与电子或电气导电材料可以与此类粘合剂一起浆料浇注，此类粘合剂如聚偏二氟乙烯（PVdF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚(环氧乙烷)（PEO）、聚(乙烯基吡咯烷酮)（PVP）、聚(乙二醇)（PEG）、三元乙丙橡胶（EPDM）、或羧甲基纤维素（CMC）、丁腈橡胶（NBR）、苯乙烯丁二烯橡胶（SBR）、 苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物（SEBS）、苯乙烯丁二烯苯乙烯共聚物（SBS）、聚丙烯酸酯（PAA）、聚丙烯酸锂（LiPAA）、聚丙烯酸钠（NaPAA）、藻酸钠或藻酸锂。导电材料可以包括碳基材料、粉末镍或其它金属粒子（例如金属丝和/或金属氧化物），或导电聚合物。碳基材料可以包括例如石墨、乙炔黑（如KETCHENTM黑或DENKATM黑）、碳纤维和纳米管（例如气相生长的碳纤维(VGCF)）、石墨烯、氧化石墨烯等等的粒子。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔、聚吡咯等等。在某些方面，可以使用导电材料的混合物。
例如，该负电容器电极136可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的负电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
在图3中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）220的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组220包括多个电池210A–210C。每个电池210A–210C包括负电极222（例如阳极）、正电极224（例如阴极）、和设置在两个电极222、224之间的隔离件226。电池210A–210C中的至少一个包括电容器电极230、236取代该电极222、224中的一个。例如，如所示那样，在第二电池210B 中可以设置负电容器电极（例如锂离子电容器阳极）236取代阳极222。此外，第一电池210A中的每个电极222、224可以被电容器电极230、236取代。例如，该第一电池210A可以包括正电容器电极230、负电容器电极236和设置在二者之间的隔离件236。在每种情况下，该隔离件226在电极222、224、230、236之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件226包含电解质260，该电解质在某些方面也可以存在于负电极222、正电极224和/或电容器电极236中。
类似于电池组20，电池组220包括一个或多个负电极集流体232和正电极集流体234。负电极集流体232可以位于每个负电极222和/或电容器电极236处或附近，并且正电极集流体234可以位于每个正电极224处或附近。该负电极集流体232与该正电极集流体234分别由外部电路240收集自由电子并使自由电子移动至外部电路240。例如，可中断的外部电路240和负载装置242可以连接正电极224（通过正电极集流体234）和/或正电容器电极230（通过正电极集流体234）与负电极222（通过负电极集流体232）和/或负电容器电极236（通过负电极集流体232）。
类似负电极22，每个负电极222包含锂基质材料，该锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极222是由锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极224可以包含含硫的正电活性材料。该正电极224可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极224可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
类似正电容器电极30，该正电容器电极230可以是包含正电容器活性材料的复合正电极（例如电容器阴极）。例如，该正电容器电极230可以包含（仅举例）活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物（例如PEDOT）等等。该正电容器电极230可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300 µm的厚度。
限定正电容器电极230的正电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该正电容器电极230可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的正电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
类似负电容器电极136，该负电容器电极236可以是包含负电容器活性材料的复合负电极（例如电容器阳极），例如提供用于电化学反应的锂（例如锂源）的锂化负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以包括（仅举例）锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物等等。该负电容器电极236可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300 µm的厚度。
限定负电容器电极236的负电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该负电容器电极236可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的负电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
在图4中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）320的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组320包括多个电池310A–310C。每个电池310A–310C包括负电极322（例如阳极）、正电极324（例如阴极）、和设置在两个电极322、324之间的隔离件326。电池310A–310C中的至少一个包括电容器电极330取代该电极322、324中的一个。例如，如所示那样，在第二电池310B 中可以设置正电容器电极（例如锂离子电容器阴极）330取代阴极324，以形成不对称阴极电极。在每种情况下，该隔离件326在电极322、324、330之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件326包含电解质360，该电解质在某些方面也可以存在于负电极322、正电极324和/或正电容器电极330中。
类似于电池组20，电池组320包括一个或多个负电极集流体332和正电极集流体334。负电极集流体332可以位于每个负电极322处或附近，并且正电极集流体334可以位于每个正电极324和/或正电容器电极330处或附近。该负电极集流体332与该正电极集流体334分别由外部电路340收集自由电子并使自由电子移动至外部电路340。例如，可中断的外部电路340和负载装置342可以连接负电极322（通过负电极集流体332）与正电极324（通过正电极集流体334）和/或正电容器电极330（通过正电极集流体334）。
类似负电极22，每个负电极322包含锂基质材料，所述锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极322是锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极324可以包含含硫的正电活性材料。该正电极324可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极324可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
类似正电容器电极30，该正电容器电极330可以是包含正电容器活性材料的复合正电极（例如电容器阴极）。例如，该正电容器电极330可以包括（仅举例）活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物（例如PEDOT）等等。该正电容器电极330 可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300 µm的厚度。
限定正电容器电极330的正电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该正电容器电极330可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的正电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
在图5中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）420的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组420包括多个电池410A–410C。每个电池410A–410C包括负电极422（例如阳极）、正电极424（例如阴极）、和设置在两个电极422、424之间的隔离件426。电池410A–410C中的至少一个包括电容器电极436取代该电极422、424中的一个。例如，如所示那样，在第二电池410B中可以设置负电容器电极（例如锂离子电容器阳极）436取代阳极424，以形成不对称阳极电极。在每种情况下，该隔离件426在电极422、424、436之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件426包含电解质460，该电解质在某些方面也可以存在于负电极422、正电极424和/或负电容器电极436中。
类似于电池组20，电池组420包括一个或多个负电极集流体432和正电极集流体434。负电极集流体432可以位于每个负电极422和/或负电容器电极436处或附近，并且正电极集流体434可以位于每个正电极424处或附近。该负电极集流体432与该正电极集流体434分别由外部电路440收集自由电子并使自由电子移动至外部电路440。例如，可中断的外部电路440和负载装置442可以连接正电极424与负电极422（通过负电极集流体432）和/或负电容器电极436（通过负电极集流体432）。
类似负电极22，每个负电极422包含锂基质材料，该锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极422是锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极424可以包含含硫的正电活性材料。该正电极424可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极424可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
类似负电容器电极136，该负电容器电极436可以是包含负电容器活性材料，例如提供用于电化学反应的锂（例如锂源）的锂化负电容器活性材料的复合负电极（例如电容器阳极）。该负电容器活性材料可以包括（仅举例）锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物等等。该负电容器电极436 可以具有大于或等于大约1 µm至小于或等于大约1000 µm、和在某些方面任选大于或等于大约20 µm至小于或等于大约300µm的厚度。
限定负电容器电极436的负电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。例如，该负电容器电极436可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的负电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。
在图6中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）520的示例性和示意性图示。类似图1中所示的锂-硫电容器辅助电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组520包括多个电池510A–510C。每个电池510A–510C包括负电极522（例如阳极）、正电极524（例如阴极）、和设置在两个电极522、524之间的隔离件526。电池510A–510C中的一个或多个包括设置在隔离件526与负电极522和/或正电极524之一之间的电容器基中间层530。例如，如所示那样，在第一电池510A中，第一电容器基中间层530可以设置在正电极524与隔离件526之间；在第二电池510B中，第二电容器基中间层530 可以设置在正电极524与隔离件526之间；和在第三电池510C中，第三电容器基中间层530可以设置在正电极524与隔离件526之间。在每种情况下，该隔离件526在该电极522、524和/或中间层530之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件526包含电解质560，该电解质在某些方面也可以存在于负电极522、正电极524和/或电容器基中间层530中。
该电容器基中间层530具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度并包含电容器活性材料。该电容器活性材料可以是正电容器活性材料。该正电容器活性材料可以包括（仅举例）活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物（例如PEDOT）等等。限定电容器基中间层530的正电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
例如，该电容器基中间层530可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的正电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该电容器基中间层530可以通过将该中间层530涂覆到正电极524与隔离件526之一上来形成。
类似于电池组20，电池组520包括一个或多个负电极集流体532和正电极集流体534。负电极集流体532可以位于每个负电极522处或附近，并且正电极集流体534可以位于每个正电极524处或附近。该负电极集流体532与该正电极集流体534分别由外部电路540收集自由电子并使自由电子移动至外部电路540。例如，可中断的外部电路540和负载装置542可以连接正电极524（通过正电极集流体534）与负电极522（通过负电极集流体532）。
类似负电极22，每个负电极522包含锂基质材料，该锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极522是锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极524可以包含含硫的正电活性材料。该正电极524可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极524可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
在图7中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）620的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组620包括多个电池610A–610C。每个电池610A–610C包括负电极622（例如阳极）、正电极624（例如阴极）、和设置在两个电极622、624之间的隔离件626。电池610A–610C中的一个或多个包括设置在隔离件626与负电极622和/或正电极624之一之间的电容器基中间层636。例如，如所示那样，在第一电池610A，第一电容器基中间层630可以设置在负电极622与隔离件626之间；在第二电池610B中，第二电容器基中间层630可以设置在负电极622与隔离件626之间；和在第三电池610C中，第三电容器基中间层630可以设置在负电极622与隔离件626之间。在每种情况下，该隔离件626在该电极622、624和/或中间层636之间提供电分离（例如防止物理接触）。在各个方面，该隔离件626包含电解质660，该电解质在某些方面也可以存在于负电极622、正电极624和/或负电容器电极636中。
电容器基中间层636具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度并包含电容器活性材料。该电容器活性材料可以是负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以包括（仅举例）锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物等等。限定电容器基中间层636的负电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
例如，该电容器基中间层636可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的负电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该电容器基中间层636可以通过将该中间层636涂覆到负电极622与隔离件626之一上来形成。
类似于电池组20，电池组620包括一个或多个负电极集流体632和正电极集流体634。负电极集流体632可以位于每个负电极622处或附近，并且正电极集流体634可以位于每个正电极624处或附近。该负电极集流体632与该正电极集流体634分别由外部电路640收集自由电子并使自由电子移动至外部电路640。例如，可中断的外部电路640和负载装置642可以连接正电极624（通过正电极集流体634）与负电极622（通过负电极集流体632）。
类似负电极22，每个负电极622包含锂基质材料，该锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极622是锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极624可以包含含硫的正电活性材料。该正电极624可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极624可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
在图8中显示了另一示例性电容器辅助的锂-硫电化学电池（也称为电池组）720的示例性和示意性图示。类似图1中示出的电容器辅助的锂-硫电池组20，该电容器辅助的锂-硫电池组720包括多个电池710A–710C。每个电池710A–710C包括负电极722（例如阳极）、正电极724（例如阴极）、和设置在两个电极722、724之间的隔离件726。电池710A–710C中的一个或多个包括一个或多个设置在隔离件726与负电极722和/或正电极724之一之间的电容器基中间层730、736。例如，如所示那样，在第一电池710A中，第一正电容器基中间层730可以设置在正电极724与隔离件726之间，并且第一负电容器基中间层736可以设置在负电极722与隔离件726之间；在第二电池710B中，第二正电容器基中间层730可以设置在正电极724与隔离件726之间，并且第二负电容器基中间层736可以设置在负电极722与隔离件726之间；和在第三电池710C中，第三正电容器基中间层730可以设置在正电极724与隔离件726之间，并且第三负电容器基中间层736可以设置在负电极722与隔离件726之间。
正电容器基中间层730具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度并包含正电容器活性材料。该正电容器活性材料可以包含（仅举例）活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物（例如PEDOT)等等。限定电容器基中间层730的正电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
例如，该正电容器基中间层730可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的正电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该电容器基中间层730可以通过将该中间层730涂覆到正电极724与隔离件726之一上来形成。
负电容器基中间层736具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度并包含负电容器活性材料。该负电容器活性材料可以包含（仅举例）锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物等等。限定电容器基中间层736的负电容器活性材料可以任选与提供电子传导路径的电子导电材料和/或至少一种改善该电极的结构完整性的聚合物粘合剂材料混杂。
例如，该负电容器基中间层736可以包含大于或等于大约40重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约95重量%的负电容器活性材料；大于或等于大约0重量%至小于或等于大约30重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约15重量%的一种或多种导电材料；和大于或等于大约0重量%至小于或等于大约20重量%、和在某些方面任选大于或等于大约0.5重量%至小于或等于大约10重量%的一种或多种粘合剂。该负电容器基中间层736可以通过将该中间层736涂覆到负电极722与隔离件726之一上来形成。
类似于电池组20，电池组720包括一个或多个负电极集流体732和正电极集流体734。负电极集流体732可以位于每个负电极722处或附近，并且正电极集流体734可以位于每个正电极724处或附近。该负电极集流体732与该正电极集流体734分别由外部电路740收集自由电子并使自由电子移动至外部电路740。例如，可中断的外部电路740和负载装置742可以连接正电极724（通过正电极集流体734）与负电极722（通过负电极集流体732）。
类似负电极22，每个负电极722包含锂基质材料，该锂基质材料可以包含含锂的负电活性材料，如锂金属。在某些变体中，该负电极722是锂金属或锂合金形成的薄膜或层。类似正电极24，每个正电极724可以包含含硫的正电活性材料。该正电极724可以包含含硫电活性材料和硫基质材料。该正电极724可以包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%、和在某些方面任选大于或等于大约60重量%至小于或等于大约90重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%、和在某些方面任选大于或等于大约10重量%至小于或等于大约30重量%的硫基质材料。
为了说明和描述提供实施方案的上述描述。其无意穷举或限制本公开。一个特定实施方案的单个要素或特征通常不限于该具体实施方案，而是在适用时可互换并可用于所选实施方案，即使没有明确展示或描述。其也可以以许多方式改变。此类变动不应被视为背离本公开，所有这样的修改意在包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.包括两个或更多个电池的电容器辅助的锂-硫电池组，其中每个电池包括至少两个电极，其选自：
包含含硫电活性材料的第一电极；
包含负电活性材料的第二电极；
包含正电容器活性材料的第一电容器电极；和
包含负电容器活性材料的第二电容器电极，其中每个电极与集流体表面相邻设置，并且隔离件设置在相邻电极之间，以便在第一与第二电极、第一电极与第二电容器电极、第二电极与第一电容器电极以及第一与第二电容器电极之间提供电分离，其中两个或更多个电池之一包括所述第一电极与所述第二电极，并且没有电池包括第一电极与第一电容器电极二者或第二电极与第二电容器电极二者。
2.权利要求1的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述第一电极进一步包含硫基质材料。
3.权利要求2的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述第一电极包含大于或等于大约20重量%至小于或等于大约98重量%的含硫电活性材料，和大于或等于大约2重量%至小于或等于大约60重量%的硫基质材料。
4.权利要求2的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述硫基质材料选自：碳纳米管、无定形碳、多孔碳、碳纳米纤维、碳球、碳纳米笼、石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、掺杂碳、聚苯胺（PAN）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（Pt）、聚苯胺（PAni）、聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）、TiO2、SiO2、CoS2、Ti4O7、CeO2、MoO3、V2O5、SnO2、Ni3S2、MoS2、FeS、VS2、TiS2、TiS、CoS2、Co9S8、NbS、VN、TiN、Ni2N、CrN、ZrN、NbN、TiC、Ti2C、B4C、Ni基-MOF、Ce基-MOF、聚吡咯/石墨烯、氮化钒/石墨烯、MgB2、TiCl2、磷烯、C3B、Li4Ti5O12及其组合。
5.权利要求1的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述负电活性材料包含锂金属。
6.权利要求1的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述正电容器活性材料选自：活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物及其组合，并且其中所述负电容器活性材料选自：锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
7.权利要求1的电容器辅助的锂-硫电池组，其中每个电池包括所述第一电极与所述第二电极，并且其中每个电池进一步包括至少一个具有大于或等于大约0.1 µm至小于或等于大约100 µm的厚度的电容器基中间层。
8.权利要求7的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述至少一个电容器基中间层设置在第一电极与隔离件之间，其中所述至少一个电容器基中间层包含正电容器活性材料，其中所述正电容器活性材料选自：活性炭、石墨烯、碳纳米管、其它多孔碳材料、导电聚合物及其组合。
9.权利要求7的电容器辅助的锂-硫电池组，其中至少一个电容器基中间层设置在第二电极与隔离件之间，其中所述至少一个电容器基中间层包含负电容器活性材料，其中所述负电容器活性材料选自：锂化活性炭、锂化软质碳、锂化硬质碳、锂化金属氧化物、锂化金属硫化物及其组合。
10.权利要求7的电容器辅助的锂-硫电池组，其中所述至少一个电容器基中间层包括第一电容器基层和第二电容器基层，其中所述第一电容器基层设置在第一电极与隔离件之间，并且所述第二电容器基中间层设置在第二电极与隔离件之间，并且其中所述第一电容器基层是正电容器基层，且所述第二电容器基中间层是负电容器基层。
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