DE102014225182A1 - Separator for a lithium-sulfur secondary battery - Google Patents
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Abstract
Eine Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie umfasst eine Schwefel-Kathode, eine Lithium-Anode, eine Ionomermembran und einen Zusatz-Flüssigkeitsabscheider. Die Lithium-Schwefel-Batterie weist zweifach Abscheider auf, wobei ein Abscheider geeignet ist zum ausreichenden Bereitstellen eines Elektrolyten an die Schwefel-Leiter-Kathode der Lithium-Schwefel-Batterie, und die Ionomermembran an der Lithium-Anode verwendet wird.A lithium-sulfur secondary battery includes a sulfur cathode, a lithium anode, an ionomer membrane and an auxiliary liquid separator. The lithium-sulfur battery has dual separators, with a separator suitable for adequately providing an electrolyte to the sulfur-conductor cathode of the lithium-sulfur battery, and the ionomer membrane being used at the lithium anode.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lithium-Schwefel-Batterie, die zweifach Abscheider hat, und welche einen Abscheider, der geeignet ist zum ausreichenden Versorgen einer Schwefel-Leiter-Kathode der Lithium-Schwefel-Batterie mit einem Elektrolyten, und eine Ionomermembran, die an einer Lithium-Anode verwendet wird, umfasst.The present invention relates to a lithium-sulfur battery having double separators and having a separator capable of sufficiently supplying a sulfur-conductor cathode of the lithium-sulfur battery with an electrolyte, and an ionomer membrane is used at a lithium anode.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Kürzlich wurde eine Studie ausgeführt zum Verwenden einer Ionomermembran, welche in einem Kraftstoffzellen-Gebiet häufig verwendet worden ist, für eine Lithium-Schwefel-Batterie, um einen Shuttle-Effekt und eine Reduzierung einer Coulomb-Effizienz durch Verhindern der Bewegung von Polysulfid zu beheben. In der Ionomermembran ist eine Sulfonsäure-Gruppe (SO3H–) einer Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Polymermembran durch Lithium (Li) ersetzt.Recently, a study has been made on using an ionomer membrane, which has been widely used in a fuel cell field, for a lithium-sulfur battery to remedy a shuttle effect and a reduction in Coulomb efficiency by preventing the movement of polysulfide. In the ionomer membrane, a sulfonic acid group (SO 3 H - ) of a perfluorosulfonic acid (PFSA) polymer membrane is replaced by lithium (Li).
Insbesondere wenn Wasserstoffionen (H+). durch Lithium in der Membran ersetzt werden und die Membran in einer Lithium-Schwefel-Batterie verwendet wird, werden eine hohe Kationen-Leitfähigkeit und eine Lithium-Transferzahl (von nahezu 1) erreicht, weil sie chemisch stabil ist. Außerdem kann die Bewegung von einem Polysulfid-Anion verhindert werden, und auf diese Weise kann nur Li+ transferiert werden.Especially when hydrogen ions (H + ). are replaced by lithium in the membrane and the membrane is used in a lithium-sulfur battery, high cation conductivity and a lithium transfer number (close to 1) are achieved because it is chemically stable. In addition, the movement of a polysulfide anion can be prevented, and thus only Li + can be transferred.
Jedoch wird Lithium-Polysulfid durch Verwendung eines flüssigen Elektrolyten aufgelöst und Lithiumionen werden transportiert, und aufgrund der Verwendung von einer Abscheidermembran ist kein Platz da zur Ergänzung des Elektrolyten. Deshalb sollte eine Kathodenelektrode, die eine niedrige Schwefelladungsmenge hat, verwendet werden, und, insbesondere, die Lithiumionen-Leitfähigkeit der Kathodenelektrode signifikant gering sein (siehe
Bezugnehmend auf eine Arbeit
⇒ -SO3 + Li+ Verminderung (Li+-Ionen-Transfer, Erzeugung eines -SO3 – elektrischen Felds)Referring to a work
⇒ -SO 3 + Li + reduction (Li + ion transfer, generation of -SO 3 - electric field)
Gemäß dem oberen Mechanismus, wegen der Blockade einer Polysulfid(PS)-Bewegung, ist eine Nebenreaktion mit einer Lithiumanode verhindert, und der Verlust von aktivem Material ist vermieden, auf diese Weise die Zellenfunktion und Lebensdauer verbessernd. Jedoch sind da einige Beschränkungen beim Steigern der Zellenergie-Dichte wegen einer niedrigen Lithiumionen-Leitfähigkeit.According to the above mechanism, because of the blockade of a polysulfide (PS) movement, a side reaction with a lithium anode is prevented, and the loss of active material is avoided, thus improving cell function and life. However, there are some limitations in increasing cell energy density because of low lithium ion conductivity.
Als ein Stand der Technik für einen Abscheider einer Sekundärbatterie beschreibt die
Die
Die
Die vorliegende Erfindung schafft eine zusätzliche Flüssigkeitsstruktur für eine PFSA-Membran zum Steigern einer Batteriekapazität durch die Steigerung in einer Schwefel-Lademenge einer Lithium-Schwefel-Batterie (siehe
Die in diesem Hintergrundgebiet beschriebene obere Information ist nur zur Verbesserung eines Verstehens des Hintergrunds der Erfindung, und deshalb kann sie eine Information umfassen, die nicht den Stand der Technik, der schon in diesem Land einer Person mit gewöhnlichem Fachwissen bekannt ist, bildet.The above information described in this background area is only for enhancement of understanding of the background of the invention, and therefore it may include information that does not form the prior art already known in this country to a person of ordinary skill in the art.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden in einer Anstrengung, die mit dem Stand der Technik zusammenhängenden oben beschriebenen Probleme zu lösen.The present invention has been made in an effort to solve the problems associated with the prior art described above.
Gemäß einer bespielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie eine Schwefel-Kathode, eine Lithium-Anode, eine Ionomermembran und einen Zusatz-Flüssigkeitsabscheider.According to an exemplary embodiment of the present invention, a lithium-sulfur secondary battery comprises a sulfur cathode, a lithium anode, an ionomer membrane, and an auxiliary liquid separator.
Unter einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die Ionomermembran der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie eine Perfluorsulfonsäure-Polymermembran, welche graphisch dargestellt ist durch Formel 1, in welcher ein Wasserstoffion (H+) von einer Sulfonsäure-Gruppe (SO3H) durch ein Lithiumion (Li+) ersetzt ist: [Formel 1] wobei m = 0 oder 1, n = 0–5, x = 0–15, und y = 0–2, und die Polymermembran hat ein Äquivalentgewicht von 400–2000.In one aspect of the present invention, the ionomer membrane of the lithium-sulfur secondary battery is a perfluorosulfonic acid polymer membrane which is represented by
Unter einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie auf einer Kathodenseite der Ionomermembran angeordnet.In another aspect of the present invention, the auxiliary liquid separator of the lithium-sulfur secondary battery is disposed on a cathode side of the ionomer membrane.
Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie kann aus Faservliesstoffen, Cellulose-Naturfasern, oder einer oder mehreren synthetischen Fasern, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF), gemacht sein.The additional liquid separator of the lithium-sulfur secondary battery may be made of non-woven fabrics, cellulose natural fibers or one or more synthetic fibers selected from the group consisting of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF), be made.
Der Zusatz-Flussigkeitsabscheider der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie kann eine isolierende Belagschicht auf einer oder beiden Seiten des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders haben.The additive liquid separator of the lithium-sulfur secondary battery may have an insulating coating layer on one or both sides of the auxiliary liquid separator.
Eine Beladungsmenge von Schwefel auf der Schwefelkathode der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie kann 7 mg/cm2 oder weniger sein.A loading amount of sulfur on the sulfur cathode of the lithium-sulfur secondary battery may be 7 mg / cm 2 or less.
Die isolierende Belagschicht der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie kann aus einem Polyolefin gemacht sein.The insulating covering layer of the lithium-sulfur secondary battery may be made of a polyolefin.
Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider der Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie kann im Inneren davon eine isolierende Belagschicht haben. The auxiliary liquid separator of the lithium-sulfur secondary battery may have an insulating coating layer inside thereof.
Andere Gesichtspunkte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Weiteren beschrieben.Other aspects and preferred embodiments of the invention will be described below.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die oberen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich beschrieben werden mit Bezug zu bestimmten exemplarischen Ausführungsformen davon, gezeigt in den begleitenden Zeichnungen, welche hier unten nur zur Veranschaulichung gegeben sind, und deshalb nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind.The above and other features of the present invention will now be described in detail with reference to certain exemplary embodiments thereof shown in the accompanying drawings, which are given herein by way of illustration only, and therefore are not limitative of the present invention.
Es sollte verstanden werden, dass die angehängten Zeichnungen, darstellend eine einigermaßen vereinfachte Verkörperung von verschiedenen, auf dem Basisprinzip der Erfindung basierenden, anschaulichen Merkmalen, nicht notwendigerweise einen Maßstab festlegen. Die speziellen Designmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hier beschrieben, zum Beispiel umfassend spezielle Dimensionen, Orientierungen, Lokalisationen und Formen, werden teilweise durch die speziell vorgesehene Anwendung und Verwendungsumgebung festgelegt werden.It should be understood that the appended drawings, which depict a somewhat simplified embodiment of various illustrative features based upon the basic principle of the invention, do not necessarily establish a yardstick. The particular design features of the present invention as described herein, including, for example, specific dimensions, orientations, locations and shapes, will be determined in part by the particular intended application and use environment.
In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf die gleichen oder gleichwertigen Teile der vorliegenden Erfindung durchgehend durch die verschiedenen Figuren der Zeichnungen.In the figures, reference numbers refer to the same or equivalent parts of the present invention throughout the various figures of the drawings.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Im Weiteren wird nun ausführlich Bezug genommen werden auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von welchen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen dargestellt und unten beschrieben sind. Während die Erfindung im Zusammenhang mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden wird, wird es verstanden werden, dass die vorliegende Beschreibung nicht gedacht ist als die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränkend. Im Gegenteil, die Erfindung ist vorgesehen zum Abdecken nicht nur der beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedener Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche von dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, umfasst werden können.Reference will now be made in detail to various embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings and described below. While the invention will be described in conjunction with exemplary embodiments, it will be understood that the present description is not intended as the invention limited to these exemplary embodiments. On the contrary, the invention is intended to cover not only the exemplary embodiments, but also various alternatives, modifications, equivalents, and other embodiments, which may be encompassed by the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie umfassend eine Schwefel-Kathode, eine Lithium-Anode, eine Ionomermembran und einen Zusatz-Flüssigkeitsabscheider.The present invention provides a lithium-sulfur secondary battery comprising a sulfur cathode, a lithium anode, an ionomer membrane and an auxiliary liquid separator.
Die Ionomermembran ist eine Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Polymermembran, welche durch eine untere Formel 1 graphisch dargestellt werden kann, in welcher ein Wasserstoffion (H+) einer Sulfonsäure-Gruppe (SO3H) durch ein Lithiumion (Li+) ersetzt ist: [Formel 1] wobei m = 0 oder 1, n = 0–5, x = 0–15, und y = 0–2, in welcher das Polymer ein Äquivalentgewicht von 400–2000 hat.The ionomer is a perfluorosulfonic acid (PFSA) -Polymermembran which can be graphically represented by a
Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider kann an einer Kathodenseite der Ionomermembran angeordnet sein, und hat einen Porenanteil von 30–80% und eine Dicke von 30–300 μm.The additional liquid separator may be disposed on a cathode side of the ionomer membrane, and has a pore content of 30-80% and a thickness of 30-300 μm.
Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider kann aus Faservliesstoffen, Zellulose-Naturfasern, oder einer oder mehreren synthetischen Fasern, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polytetrafluoroethylen (PTFE) und Polyvinylidenfluorid (PVDF) gemacht sein. Beide oder eine Seite des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders kann eine isolierende Belagschicht umfassen, und die isolierende Belagschicht kann aus einem Polyolefin gemacht sein.The makeup liquid separator may be made of nonwoven fabrics, cellulosic natural fibers, or one or more synthetic fibers selected from the group consisting of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinylidene fluoride (PVDF). Both or one side of the auxiliary liquid separator may comprise an insulating coating layer, and the insulating coating layer may be made of a polyolefin.
Außerdem kann die isolierende Belagschicht im Inneren des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders angeordnet sein und kann aus einem Polyolefin gemacht sein.In addition, the insulating coating layer may be disposed inside the auxiliary liquid separator and may be made of a polyolefin.
Die Lithium-Schwefel-Sekundärbatterie, welcher der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung zugefügt wird, kann durch Verwendung einer Beladungsmenge von Schwefel auf der Schwefel-Kathode bei maximal 7 mg/cm2 hergestellt sein.The lithium-sulfur secondary battery to which the auxiliary liquid separator according to the present invention is added can be prepared by using a sulfur-loaded amount on the sulfur cathode at 7 mg / cm 2 at the maximum.
Insbesondere ist ein Wasserstoff-Kation (H+) von der PFSA-Polymermembran durch ein Lithiumion (Li+) ersetzt, um dadurch eine lithiierte Ionomermembran zu bilden, welche als ein Abscheider benutzt werden kann zum Herstellen einer Lithium-Schwefel-Zelle. Um die Lithium-Schwefel-Zelle herzustellen, wird die lithiierte Ionomermembran zwischen der Kathode, welche Schwefel und einen Leiter umfasst, und der Lithium-Anode angeordnet, gefolgt von einem Zufügen eines Elektrolyten dazu. Da ist keine Limitierung für die Art und ein Zusammensetzungsverhältnis von dem Schwefel, Leiter, und Binder, solange sie hier wie weitläufig im Stand der Technik benutzt werden. Der Elektrolyt kann Carbonat-(Karbonat-), Ether-, Ester- und Sulfon-basierte Materialien, und dergleichen, umfassen.In particular, a hydrogen cation (H + ) from the PFSA polymer membrane is replaced by a lithium ion (Li + ) to thereby form a lithiated ionomer membrane which can be used as a separator for producing a lithium-sulfur cell. To prepare the lithium-sulfur cell, the lithiated ionomer membrane is placed between the cathode, which includes sulfur and a conductor, and the lithium anode, followed by adding an electrolyte thereto. There is no limitation on the type and compositional ratio of the sulfur, conductor, and binder as long as they are widely used in the art. The electrolyte may include carbonate (carbonate), ether, ester and sulfone based materials, and the like.
Wenn eine Entladungsreaktion ausgeführt wird, können Anionen von Polysulfid nicht zu der Anode wandern, aufgrund der Erzeugung eines elektrischen Felds, und Lithiumionen können nur durch „Hopping” wandern. Durch eine Verwendung der Lithiumionen ist es als ein Resultat möglich, eine Nebenreaktion von Polysulfid mit der Lithium-Anode, den Verlust von einem aktiven Material und einen Shuttle-Effekt von Polysulfid zu verhindern.When a discharge reaction is carried out, anions of polysulfide can not migrate to the anode due to the generation of an electric field, and lithium ions can migrate only by "hopping". As a result, by using the lithium ions, it is possible to prevent a side reaction of polysulfide with the lithium anode, the loss of an active material, and a shuttle effect of polysulfide.
Falls der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider nicht verwendet wird, kann die Zelle hergestellt werden durch Verwendung einer niedrigen Beladungsmenge von Schwefel als die Kathode (einer Beladungsmenge von ungefähr 1 mg/cm2), so dass eine gewünschte Kapazität erreicht wird. In diesem Fall, da die Beladungsmenge von Schwefel erhöht werden muss, um eine Zellenergie-Dichte zu steigern, kann die Verwendung von nur der Ionomermembran nicht ausreichend sein. Da Ionen-Leitfähigkeit von der Ionomermembran erreicht wird durch das Wandern von nur den Lithiumionen, ist eine Ionen-Leitfähigkeit ebenso niedriger als beim Stand der Technik. If the auxiliary liquid separator is not used, the cell can be manufactured by using a low loading amount of sulfur as the cathode (a loading amount of about 1 mg / cm 2 ), so that a desired capacity is achieved. In this case, since the loading amount of sulfur needs to be increased to increase a cell energy density, the use of only the ionomer membrane may not be enough. Since ionic conductivity from the ionomer membrane is achieved by the migration of only the lithium ions, ionic conductivity is also lower than in the prior art.
Eine Struktur des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders gemäß der vorliegenden Erfindung wird zudem angewandt auf die PFSA-Polymermembran, was in einer Erhöhung der Schwefel-Beladungsmenge der Lithium-Schwefel-Batterie resultiert, und dadurch eine Batterie-Kapazität verbessert (siehe
<Elementare Struktur der PFSA-Polymermembran><Elementary Structure of PFSA Polymer Membrane>
Außerdem hat die PFSA-Polymermembran eine Polymerisations-Struktur, in welcher m = 0, 1, n = 0–5, x = 0–15, und y = 0–2, und eine ein Äquivalentgewicht von 400–2000 habende Polymermembran kann verwendet werden (siehe Tabelle 1).In addition, the PFSA polymer membrane has a polymerization structure in which m = 0, 1, n = 0-5, x = 0-15, and y = 0-2, and a polymer membrane having an equivalent weight of 400-2000 can be used (see Table 1).
Tabelle 1: Kommerzielle PFSA-Membranen Table 1: Commercial PFSA membranes
Das Wasserstoffion (H+) der funktionellen Sulfonsäure-Gruppe (SO3H-Gruppe) der PFSA-Polymermembran, welche die Voraussetzungen erfüllt, ist durch das Lithiumion ersetzt durch Tauchen der PFSA-Polymermembran in eine LiOH-Lösung. Während dieses Prozesses kann das Massenverhältnis zwischen der PFSA-Polymermembran und der LiOH-Lösung in einem Bereich zwischen 1:3 bis 1:1000 sein.The hydrogen ion (H + ) of the sulfonic acid functional group (SO 3 H group) of the PFSA polymer membrane satisfying the requirements is replaced by the lithium ion by immersing the PFSA polymer membrane in a LiOH solution. During this process, the mass ratio between the PFSA polymer membrane and the LiOH solution may be in a range between 1: 3 to 1: 1000.
Falls zweifach Abscheider verwendet werden, ist es möglich, weil der an der Kationenseite angeordnete Zusatz-Flüssigkeitsabscheider mit einem Elektrolyten befeuchtet ist, eine ausreichende Menge von Schwefel bei einer hohen Schwefelladung an der Kathode aufzulösen und ihn in Polysulfid umzuwandeln, dadurch die Menge von Lithiumionen steigernd. Die Ionomermembran, welche hinter dem Zusatz-Flüssigkeitsabscheider angeordnet ist, verhindert den Transfer von Polysulfidanionen. Die Ionomermembran transferiert nur Lithiumionen, welche ausreichend in der Kathode aufgelöst sind, zu der Anode. Als ein Resultat ist es möglich, die Probleme von Nebenreaktionen, bewirkt durch den Kontakt von Polysulfid mit der Lithiumanode, den Verlust von einem aktiven Material und dergleichen von dem Stand der Technik zu überwinden.If two-pass separators are used, it is possible because the additional liquid separator disposed on the cation side is moistened with an electrolyte to dissolve a sufficient amount of sulfur at a high sulfur charge at the cathode and convert it to polysulfide increasing the amount of lithium ions. The ionomer membrane, which is located behind the additional liquid separator, prevents the transfer of polysulfide anions. The ionomer membrane transfers only lithium ions, which are sufficiently dissolved in the cathode, to the anode. As a result, it is possible to overcome the problems of side reactions caused by the contact of polysulfide with the lithium anode, the loss of an active material, and the like of the prior art.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, hat die vorliegende Erfindung eine Lithium-Schwefel-Batterie erfunden, die zweitfach Abscheider hat, geeignet zum ausreichenden Versorgen einer Lithium-Leiter-Kathode der Lithium-Schwefel-Batterie mit einem Elektrolyt durch Verwenden einer Ionomermembran an einer Lithium-Anode (siehe
Wie vorhin beschrieben, kann der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider einen Porenanteil von 30–80% und eine Dicke von 30–300 μm haben. Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider kann aus bezüglich einer organischen Lösung (Elektrolyt) chemisch stabilen Materialien gemacht sein und an der Schwefel-Kathoden-Seite des Abscheiders angeordnet sein. Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider kann aus einem Faservliesstoff gemacht sein.
Wie oben beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung eine Lithium-Schwefel-Batterie, die zweifach Abscheider hat. Ein Abscheider ist eine Ionomermembran, welche, bei einer Blockierung der Bewegung von Lithium-Polysulfid, nur Lithiumionen transferieren kann. Der andere Abscheider ist ein Zusatz-Flüssigkeits(ab)scheider, welcher ähnliche Effekte bezüglich eines festen Elektrolyten zeigt und geeignet ist zum Bereitstellen eines flüssigen Elektrolyten. Die Lithium-Schwefel-Batterie der vorliegenden Erfindung kann unerwarteter Weise die mit Lithium-Schwefel-Batterien des verwandten Stands der Technik verbundenen Probleme verringern, wie beispielsweise den Shuttle-Effekt von Lithium-Polysulfid, einer Abnahme der Batterie-Kapazität und einer Batterielebensdauer aufgrund der Nebenreaktion an der Anode, einer Steigerung in einer Zellenergie-Dichte bei einer niedrigen Schwefelbeladung an der Kathode und dergleichen.As described above, the present invention provides a lithium-sulfur battery having dual separators. A separator is an ionomer membrane which, upon blocking the movement of lithium polysulfide, can only transfer lithium ions. The other separator is an additive liquid (off) separator which exhibits similar effects with respect to a solid electrolyte and is suitable for providing a liquid electrolyte. The lithium-sulfur battery of the present invention can unexpectedly reduce the problems associated with prior art lithium-sulfur batteries, such as the lithium polysulfide shuttle effect, a decrease in battery capacity, and battery life due to Side reaction at the anode, an increase in cell energy density at low sulfur loading at the cathode, and the like.
Die vorliegende Erfindung hat die folgenden Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
Weil die Lithium-Schwefel-Batterie der vorliegenden Erfindung eine ausreichende Menge von Elektrolyt aufweist, werden die gewünschten Batteriefunktionen sogar bei einer hohen Schwefel-Beladungsmenge pro Flächeneinheit (5–10 mg Schwefel/cm2) erreicht. Wenn die Schwefel-Beladungsmenge pro Flächeneinheit erhöht wird, wird deshalb eine Energiedichte basierend auf dem Gesamtgewicht einer Zelle gesteigert.The present invention has the following advantages over the prior art:
Because the lithium-sulfur battery of the present invention has a sufficient amount of electrolyte, the desired battery functions are achieved even at a high sulfur loading amount per unit area (5-10 mg sulfur / cm 2 ). Therefore, when the sulfur loading amount per unit area is increased, an energy density based on the total weight of a cell is increased.
Aufgrund einer Shutdown-Funktion des Faservliesstoff-Abscheiders, der eine ein thermisches Durchgehen verhindernde Belagschicht hat, ist eine Sicherheit verbessert.Safety is improved due to a shutdown function of the nonwoven fabric separator having a thermal sagging liner.
BEISPIELEEXAMPLES
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung und sind nicht vorgesehen zum Begrenzen derselben.The following examples illustrate the invention and are not intended to be limiting thereof.
Ersetzen von Wasserstoffionen einer konventionellen PFSA-Polymermembran durch LithiumionenReplacing hydrogen ions of a conventional PFSA polymer membrane with lithium ions
Eine wässrige LiOH-Lösung und Ethanol wurden bei einem Masseverhältnis von 1:1 in einem Becher gemischt, und Nafion 212 (Dupont) wurde, als eine konventionelle PFSA-Polymermembran, darin eingetaucht. Der Becher wurde auf eine Heizhaube gestellt und dann wurde die Mischung für zwölf Stunden oder länger auf 80°C während eines kontinuierlichen umgerührt werdens erhitzt (siehe
Je höher die Lithiumionen-Konzentration in der Lösung ist, desto leichter werden die Wasserstoffionen der Membran durch Lithiumionen ersetzt. In diesem Beispiel wurde das Ersetzen durch Lithiumionen ausgeführt unter der Bedingung, dass das Masseverhältnis von der Membran und der Lösung 1:100 war. Nachdem das Ersetzen vollendet war, wurde die Membran mit destilliertem Wasser gewaschen, um darauf zurückbleibende Salze zu entfernen und in einem Vakuumofen bei 120°C für 24 Stunden getrocknet, zum Herstellen einer Ionomermembran, in welcher Wasserstoffionen durch Lithiumionen ersetzt sind. Die erhaltene Ionomermembran wurde in einer Glove-Box Vakuum-gelagert.The higher the lithium ion concentration in the solution, the easier it is to replace the hydrogen ions of the membrane with lithium ions. In this example, the replacement by lithium ions was carried out under the condition that the mass ratio of the membrane and the solution was 1: 100. After the replacement was completed, the membrane was washed with distilled water to remove salts remaining thereon and dried in a vacuum oven at 120 ° C for 24 hours to prepare an ionomer membrane in which hydrogen ions are replaced by lithium ions. The resulting ionomer membrane was vacuum-stored in a glove box.
Herstellung einer Lithium-Schwefel-Batterie durch Verwendung einer Ionomermembran und eines Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders Preparation of a lithium-sulfur battery by use of an ionomer membrane and an additional liquid separator
Nachdem ein Abscheider für die Bereitstellung von einem flüssigen Elektrolyt an einer Schwefel-Kathode konstruiert wurde, wurden eine lithiierte Ionomermembran und eine Lithium-Anode ordnungsgemäß angeordnet zum Herstellen einer Zelle.After a separator for the provision of a liquid electrolyte at a sulfur cathode was constructed, a lithiated ionomer membrane and a lithium anode were properly arranged to make a cell.
Beispiele 1 bis 3Examples 1 to 3
Schwefel, ein leitfähiges Material (dampfgewachsene Kohlenstofffaser, Vapor Grown Carbon Fiber, VGCF) und ein Binder (PVDF) wurden in einem Verhältnis von 70wt%:20wt%:10wt% gemischt, um eine wässrige Masse zu bilden. Die wässrige Masse wurde auf eine Aluminiumfolie gegossen und bei 80°C für 24 Stunden getrocknet, um eine Kathoden-Elektrode mit einer Korngröße von 14 phi zu bilden. Eine Anode wurde gebildet durch Verwendung einer Lithiumfolie (100 Mikrometer in Dicke), die eine Größe von 16 phi haben soll. Ein Zusatz-Flüssigkeitsabscheider und eine 10-nomermembran wurden gemeinsam als ein Abscheider genutzt. Die Ionomermembran wurde auf der Lithiumfolie als einer Anode platziert, der Abscheider für die Zufügung von einem Elektrolyt wurde darauf platziert, und dann wurde die Kathoden-Elektrode darauf platziert. Nach diesem wurde ein Elektrolyt, der 1 M Lithium-bis(trifluormethan sulfon)imid (LiTFSI) in Tetraethylenglycoldimethylether (TEGDME):Dioxolan (DIOX) (1:1) hat, in das resultierende Konstrukt zugefügt, um dadurch eine Knopfzelle, wie in
Vergleichs-Beispiele 1–2Comparative Examples 1-2
Eine wässrige Masse wurde gebildet durch Mischen von Schwefel, einem leitfähigen Material (VGCF) und einem Binder (PVDF) bei einem Verhältnis von 70wt%:20wt%:10wt%. Die wässrige Masse wurde dann auf eine Aluminiumfolie gegossen und bei 80°C für 24 Stunden getrocknet, um eine Kathodenelektrode mit einer Korngröße von 14 phi herzustellen. Eine Anode wurde gebildet unter Verwendung einer Lithiumfolie (100 Mikrometer in Dicke), die eine Korngröße von 16 phi haben soll. Eine Ionomermembran wurde nur als ein Abscheider benutzt. Die Ionomermembran wurde auf der Lithiumfolie als einer Anode platziert, die Kathodenelektrode wurde darauf platziert, und dann wurde ein Elektrolyt, der 1 M LiTFSI in TEGDME:DIOX (1:1) hat, dazu hinzugefügt, um eine Knopfzelle herzustellen (siehe
Die Ergebnisse eines Vergleichens der Kapazitäts-Eigenschaften der in den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Knopfzellen, die den Zusatz-Flüssigkeitsabscheider der Elektrode mit der hohen Schwefelbeladung (Beladungsmenge von 5 mg/cm2) verwenden, mit jener in Vergleichs-Beispiel 1 hergestellten Knopfzelle sind in der folgenden Tabelle 1 und
Die Ergebnisse der geschätzten Lebensdauer-Eigenschaften zwischen einer den Zusatz-Flüssigkeitsabscheider verwendenden Batterie und einer Batterie ohne den Zusatz-Flüssigkeitsabscheider sind in der folgenden Tabelle 2 und
In der Abwesenheit des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders zeigte die Elektrode mit der hohen Schwefelbeladung mit einer Beladungsmenge von 2 mg/cm2 oder höher nicht die gleiche Kapazität und Lebensdauereigenschaften wie die Batterie mit dem Zusatz-Flüssigkeitsabscheider. Jedoch wurde es festgestellt, dass, wenn die Membran und ein Zusatz-Flüssigkeitsabscheider gemeinsam verwendet wurden, die Lebensdauer-Eigenschaften der Elektrode mit der hohen Schwefelbeladung verbessert wurden.In the absence of the additional liquid separator, the high sulfur loading electrode with a loading of 2 mg / cm 2 or higher did not exhibit the same capacity and life characteristics as the battery with the auxiliary liquid separator. However, it was found that when the membrane and an auxiliary liquid separator were used together, the life characteristics of the high sulfur-loaded electrode were improved.
Die Verwendung des Zusatz-Flüssigkeitsabscheiders macht es möglich, die Schwefelbeladungsmenge der Kathode in einem weitläufigen Bereich von einer niedrigen Beladung bis zu einer hohen Beladung (ungefähr 5 mg/cm2) anzuwenden. Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider bewirkt, dass Lithium-Polysulfid von der Schwefel-Kathode eluiert wird und die Schwefel-Kathode befeuchtet wird. Das eluierte Lithium-Polysulfid kann nicht zu der Anode wandern, weil es durch die Ionomermembran geblockt wird, und nur die Lithiumionen können zu der Anode wandern (siehe
Der Zusatz-Flüssigkeitsabscheider der vorliegenden Erfindung kann angeordnet werden gemäß jeder der vier Ausführungsformen A–D, wie in
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