可再充電的正極制造技術

本文揭示的是制備固相活性硫基復合電極的方法。該方法第一步是將（各種）電極原材料（包括：一種電化學活性材料、一種導電體和一種離子導體）混合成漿狀物。下一步是拌勻此漿狀物，使這些電極原材料充分混合，達到沒有團塊。然后在很短的時間內，在電極原材料沉淀或明顯分離之前，很快將它涂在襯底上形成一層薄膜。最后，使這層涂膜干燥，形成電極，采用的方式要使電極原材料不發生明顯的重新分布。（*該技術在2015年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

這項專利技術總的來說與以活性硫為特征的正電極有關。這種電極更適用于再充電，而且在一些優選實施例中做成薄膜形式。各種負電極，如堿金屬、堿土金屬、過渡金屬以及碳插入電極都可與此正電極組成電池組。這種電池組除了其它優點外，首先在于它有很高的比能量(Wh/kg)和能量密度(Wh/I)。
技術介紹
國際市場上輕便電氣設備的快速發展導致了對先進的第二代電池需求的相應增加，例如，像蜂窩式移動電話、膝上計算機等設備的小型化自然地增加了對具有高比能量(重量要輕)的可再充電電池的需求。與此同時，越來越多的人關心一次性使用后即棄之不用的拋棄現象對環境的影響，顯然使人們更多地把注意力從第一代電池轉向可再充電的電池系統上。另外，由于人們提高了對有毒廢棄物的認識，這一點作為部分原因，也促使人們努力用更好的鎳/金屬氫化物電池中的儲氫電極替代鎳/鎘電池中的有毒的鎘電極。由于以上原因，對環保有利的第二代電池技術有著巨大的市場潛力。第二代電池在現代社會中已廣泛使用，特別應用于那些不需要很高能量的地方。但是，人們也希望將其用于需要相當大功率的地方，而且已做了許多的努力，用以開發適用于高比能、中功率的設備(如用于電氣汽車和壓路機)的電池。當然，這種電池也應適用于象照像機或便攜式錄音機這樣的低功耗設備。目前，最常見的第二代電池可能是車用鉛-酸電池。這種電池的優點在于能夠在性能不受明顯損失的情況下多次充電。但是，這種電池能重比很低。在大多數其它電池中，如鎳-鎘電池和鎳金屬氫化物電池也能看到相同的局限性。在能夠促使成功開發高比能電池的諸因素中，基本的一點是找到具有高電池電壓和低當量的電極材料。這種電極材料還必須滿足基本的電化學要求，如充分的電子和離子導電性、氧化-還原反應的高可逆性以及在特殊應用的溫度范圍內具有良好的熱穩定性和化學穩定性。重要的是，這種電極材料必須價格合理，材料來源廣泛、無毒而且易于加工。這樣，下一代電池就需要找到一種較小、較輕、較便宜且無毒的電池。由于鋰的低當量，用它做電池的電極材料可改善重量比，因此這使它具有很大的吸引力。鋰還可以提供比鎳和鎘傳統電池標準更大的單位體積能量。硫的低當量，低成本以及無毒性也使其成為一種很有吸引力的電池原材料的候選者。已經知道有成功的鋰/有機硫電池面世(見De Jonghe等，美國專利號4,833,048和4,917,974；和Visco等，美國專利號5,162,175)。但是，在堿金屬-硫電池系統中采用以元素硫為基礎的正電極，仍存在許多問題未得到解決。雖然從理論上說，當硫還原成堿金屬硫化物時放出了很大的比能，但眾所周知硫是一種良好的絕緣材料，用它做電極的問題已引起了人們注意。本領域的技術人員認為這些問題包括，必須將硫靠近一種不活潑的電導體上、大量材料的使用率很低、可逆性不好，以及在碳顆粒和集電極表面上形成一個絕緣硫膜，使之與電極元件的其余部分隔開等。(見DeGott，P.，的“Polymere Carbone SoufreSynthese et Proprietes Electrochimiques，”Institut NationalPolytechnique de Grenoble)學院的博士論文(論文答辯日期1986年6月19日，第117頁。)與此相似的文章有Rauh等人的“采用一種有機電解質構成的鋰/溶解硫電池”(電化學學會雜志126卷第4期，523頁(1979年4月))。此文第523頁中說到“S8及其最終釋放產物-Li2S屬電絕緣體。因此它很可能是該正電極材料的絕緣層，導致鋰/硫電池的不良結果”。進一步來看，Peramunage和Licht在發表于“科學雜志”261卷1029頁(1993年8月第20期)的文章“含水電池的一種固態硫陰極”中第1030頁中說到“在低溫(室溫)下，硫元素是完全不可溶解的，絕緣的固體，所以不能指望它成為一種有用的正電極材料。”但是，Peramunage和Licht發現與一種飽和含水硫的多硫化合物溶液接觸的硫使其從一種絕緣體轉變成一種離子導體。將硫和/或多硫化合物電極用于無水或有水的液體電解質鋰電池(也就是說，呈液體狀態)中，這已是眾所周知的。例如Peled和Yamin在美國專利(專利號4,410,609)中描述了在四氫呋喃(THF)中通過鋰和硫的直接反應制成的Li2Sx多硫化合物正電極的使用情況。由于將液體電解質與鋰金屬箔一起使用，使這種電池出現了典型的循環效率不高的現象。而且Peled和Yamin的專利還描述了在第一代電池中采用這種系統的情況。Rauh等人在“可再充電的鋰-硫電池”(擴展摘要)(見能源雜志J.Power Source，26卷，269期，1989)一文中也注意到了這種電池的低循環效率，并在270頁斷言“大多數電池由于鋰耗盡而失效。”其它關于液體形式的鋰-硫電池系統的論文如下Yamin等人的“鋰硫電池”(J.Electrochem.Soc.，135(5)第1045頁，1988年5月)；Yamin和Peled的“無水鋰/硫電池的電化學”(J.Power Sources，9281頁，1983年)；Peled等人的“鋰-硫電池二氧戊環基電解質評價。”(J.electrochem.Soc，136(6)1621頁，1989年6月。Bennett等人的美國專利4,469,761號；Farrington和Roth的美國專利3,953,231號；Nole和Moss的美國專利3,532,543號；Lauck，H的美國專利3,915,743號和3,907,591號；Societe des Accumulateurs Fixes etde Traction“鋰-硫電池”(化學摘要66摘要第111055d號10360頁，1967年)；以及Lauck，H的“負鋰電極和正硫電極的蓄電池”(化學摘要80摘要第9855號，466-467頁，1974年)。DeGott(Supra)在118頁指出堿金屬-硫電池系統已采用不同形式進行了研究，然后提出了每種研究過的形式存在的問題。例如，他指出“全液態”(電池)系統由于多種原因已被快速淘汰，除其它一些因素之外，其原因還包括液體鋰和硫的腐蝕問題，鋰溶進電解質誘發電池系統自身放電的問題，以及形成正電極的鋰硫化物與硫反應生成可溶于電解質的多硫化物Li2Sx的問題。關于堿金屬-硫電池系統，其中的電極會融化或溶解，并且電解質是固態的，這種電解質最佳工作溫度在130℃～180℃和300℃～350℃這一范圍內。DeGott在118頁上說這樣的電池存在一些問題，如電池的容量逐漸降低，電解質中出現導電性，以及安全和腐蝕問題。DeGott接著又列舉了各種堿金屬-硫電池系統中遇到的問題，如其中兩個電極都是固體的，而電解質是一種有機液；而且推廣來看，其中負電極是固體的，電解質也是固體的，而正電極是液態的。這些問題包括硫的不完全還原，很低的可逆性、最大功率很低(其性能限于緩慢放電機制)、由于Li2S與溶解硫發生反應使Li2S的鈍化層破壞，從而形成可溶性的多硫化合物，而且還包括與含鋰的溶劑的穩定性有關的一些問題。DeGott在117頁中還描述了妨礙電池具備良好的可逆性的一個基本障礙，其描述如下由于堿金屬硫化物是離子導體，因此它使得在集電極與硫相鄰的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種正電極，它包含下列成分組成的混合物（ａ）活性硫（ｂ）電子導體與活性硫混合，使電子可以在活性硫和電子導體之間運動；而且（ｃ）離子導體與活性硫混合，使離子可以在離子導體和活性硫之間運動，其中，混合物中有大約１０％到大約１００％的活性硫參與電化學反應。２．如權利要求１的正電極，其中，混合物與一個集電極有電聯結。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：MY朱，
申請(專利權)人：波利普拉斯電池有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]