一種多管式鋰硫電池制造技術

本發明專利技術提供一種多管式鋰硫電池，包括正極、正極外殼、負極和負極外殼，所述負極通過陣列排布的多個復合負極管延伸至正極中，所述復合負極管包括內層的多孔金屬層及附著在外層的由多孔金屬層支撐的固體電解質層，該多孔金屬層與負極外殼相連，共同構成負極集電極，所述正極外殼與正極中的碳材料接觸，共同構成正極集電極。本發明專利技術將復合負極管應用到鋰硫電池中以解決多硫化物“穿梭效應”和鋰枝晶造成的安全隱患；通過多孔金屬層的設計解決了傳統電池陶瓷管易破裂的現象，從而提升電池安全性能；同時進一步改進了電池結構，采取多個復合負極管陣列排布及正負極活性物質空間隔離措施，達到提高電池功率密度和電池安全性的目的。

A multi tube type lithium sulfur battery

The invention provides a multi type lithium sulfur battery, comprising an anode, cathode, anode and cathode shell shell, the cathode arrays of multiple composite anode pipe extends into the cathode through, the composite anode tube includes a porous metal layer and attached to the solid electrolyte layer is supported by a porous metal layer on the outer layer, the porous metal layer is connected with the anode shell, composed of anode collector, contact the cathode carbon material shell and the anode, constitute the cathode collector. The composite anode tube is applied to the lithium sulfur battery in order to solve the safety problems of sulfide \shuttle\ effect and the lithium dendrite caused; through the design of the porous metal layer to solve the cracking phenomenon of the traditional battery ceramic tube, so as to enhance the safety performance of the battery; and further improved the cell structure, adopt multiple composite anode tube array arrangement and isolation measures positive and negative electrode active material space, to improve the power density of battery and battery safety purpose.

【技術實現步驟摘要】
一種多管式鋰硫電池
本專利技術涉及鋰電池
，具體涉及一種多管式鋰硫電池。
技術介紹
鋰離子電池是近年來發展起來的一種新型儲能器件，在過去的二十多年內，鋰離子電池以其高能量密度的特性引領便攜式電子設備走向了新的變革。但是，隨著各種新型便攜式電子設備和新能源汽車的迅速發展，人們對儲能電池也提出了更高能量密度、更好的安全性能以及更低的成本等要求。對比各類電池體系，綜合考慮比能量、安全性和性價比三方面要素，以金屬鋰為負極、單質硫為正極的一種新型化學電池（鋰硫電池）是當今電池行業的主要發展方向。在鋰硫電池中，活性物質硫的理論比容量為1675mAh/Kg，理論比能量達2600Wh/Kg，是傳統鋰離子電池的5-8倍，鈉硫電池的3.4倍，且成本低廉、環境友好。近十年來，人們在維持電極結構穩定性、提高安全性及硫的利用率、延長電池循環壽命等方面開展了大量的研究工作。然而，目前鋰硫電池仍處于實驗室研制階段，還無法大規模的應用，主要是存在以下幾個技術瓶頸問題：（一）安全隱患方面：主要因素是使用有機聚合物隔膜，在電池充電時負極金屬鋰表面生長鋰枝晶，容易刺穿有機聚合物隔膜造成正負極短路；另一個因素是使用液態有機電解液，在正負極短路或高溫時易引發燃燒、爆炸；（二）循環壽命方面：影響循環性能的主要因素是鋰多硫化物“穿梭效應”造成的容量損失，電池在進行工作時，其中間產物鋰多硫化物可溶于有機電解液中，并穿過有機多孔聚合物膜的孔隙，在電池的正負極之間發生往復穿梭（稱為穿梭效應），使活性物質單質硫不可逆的損失，降低了電池的庫倫效率。另外，穿梭到負極的鋰多硫化物會和金屬鋰負極發生化學反應，引發電池內部放電現象，而且反應生成的不溶于電解液的硫化鋰會沉積在鋰負極表面，從而引發金屬鋰表面惡化，進一步降低了電池循環壽命。在這幾項缺陷中，穿梭效應是對鋰硫電池性能破壞最大的一點，使用現有的有機聚合物隔膜技術是很難解決的。
技術實現思路
基于現有鋰硫電池技術存在的不足之處，本專利技術提供一種多管式鋰硫電池，以解決“穿梭效應”對鋰硫電池性能的破壞和鋰枝晶形成帶來的安全隱患。為解決上述技術問題，本專利技術采用如下技術方案：一種多管式鋰硫電池，包括正極、正極外殼、負極和負極外殼，所述正極為含有活性硫的S/C復合活性物，所述負極包括鋰金屬的負極活性物質，所述負極通過陣列排布的若干個復合負極管延伸至正極中，所述復合負極管包括內層的多孔金屬層及附著在外層的由多孔金屬層支撐的固體電解質層，該多孔金屬層在管口部與負極外殼相連，共同構成負極集電極，所述正極外殼與正極中的碳材料接觸，共同構成正極集電極。所述正極與負極之間設置有絕緣環，該絕緣環與固體電解質層緊密連接。所述多孔金屬層中吸附有離子液體。所述多孔金屬層的厚度為0.2～1.5mm。所述多孔金屬層中多孔金屬平均孔徑為0.1～5um，孔隙率為50～80%。所述固體電解質層的厚度為0.015～0.060mm。所述復合負極管的管腔內徑1～4mm。所述復合負極管的長度10～300mm。由以上技術方案可知，本專利技術將復合負極管應用到鋰硫電池中，并在復合負極管的多孔金屬中吸附離子液體，改善熔融金屬鋰與固體電解質膜的界面相容性，使鋰硫電池能在硫的沸點（444℃）以下250~350℃溫度范圍工作。復合負極管外層的致密固體電解質層可以解決多硫化物“穿梭效應”和鋰枝晶造成的安全隱患；通過多孔金屬層的設計解決了傳統電池陶瓷管易破裂的現象，從而提升電池性能以及安全等級；同時進一步改進了電池結構，采取用多個復合負極管陣列排布及正負極活性物質空間隔離措施，達到提高電池功率密度和電池安全性的目的，并以此構成了鋰硫電池全新的技術路線和實用的技術方案。附圖說明圖1為本專利技術多管式鋰硫電池的縱向剖視圖，并示出了絕緣環所在區域的局部放大圖；圖2為本專利技術中復合負極管的結構示意圖；圖3為本專利技術固體電解質層出現破裂點時自動堵塞形成機理示意圖。圖中：1、正極，2、正極外殼，3、負極，4、負極外殼，5、復合負極管，51、多孔金屬層，52、固體電解質層，6、絕緣環。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術的一種優選實施方式作詳細的說明。如圖1所示，所述鋰硫電池包括正極1、正極外殼2、負極3、負極外殼4，以及具有電解質和隔膜功能的復合負極管5。所述正極1為含有活性硫的S/C復合活性物質，所述負極3包括鋰金屬的負極活性物質。所述負極通過復合負極管延伸至正極中，增大接觸面積，提高充、放電效率。所述復合負極管的內徑r為1～4mm，外徑R為1.43～7.12mm，復合負極長度為10～300mm。復合負極管較小的內腔直徑，避免了負極熔融金屬鋰與正極活性物硫大量接觸的可能性，顯著提高了電池的安全性。本專利技術多管式鋰硫電池工作溫度范圍250~350℃。如圖2所示，所述復合負極管5包括吸附有離子液體的多孔金屬層51和固體電解質層52，其中固體電解質層附著在多孔金屬層外層，該多孔金屬層起到支撐作用。在由多孔金屬層構成的支撐體表面復合導電的固體電解質層，具有力學強度高，不易破裂、斷裂，抗震性強的特點。多孔金屬層51與負極外殼4相連，共同構成負極集電極，其中管口外側裸露的多孔金屬層與負極外殼焊接，增加了電子電導率，正極外殼2與正極碳材料接觸，共同構成正極集電極。正極與負極之間還設置有絕緣環6，該絕緣環與固體電解質層緊密連接，起到正負極隔離、絕緣作用，優選為Ai2O3(氧化鋁)陶瓷環，其強度較大且耐高溫。多孔金屬層51的厚度為0.2～1.5mm，以不銹鋼、鈦、鎳、青銅、鎳合金、鈦合金中的一種金屬粉末與粘合劑、造孔劑、助燒劑混合制成形胚，形胚燒制后經化學洗滌而成，多孔金屬層中多孔金屬平均孔徑在0.1～5um，孔隙率為50～80%。所述固體電解質層52的厚度為0.015～0.060mm，較薄的導電固體電解質陶瓷膜提高了離子的電導，以離子電導率高的固體電解質玻璃陶瓷為材料，采用溶膠—凝膠法或采用懸浮粒子法涂膜燒結而成。本實施例中固體電解質層采用無機材料，如陶瓷、玻璃。有機材料的固體電解質不耐高溫，不適用于本方案。本專利技術中采取多只復合負極管共同構成負極的集成化設計，可以提高單體電池功率密度和充放電效率。如圖2所示，本專利技術將固體電解質層52設置在多孔金屬層51外層，共同構成一個管式結構，內部形成一個裝填負極活性物熔融態鋰的管腔53，在多孔金屬層的支撐下固體電解質層可以制成較薄的致密膜層，且易于封裝熔融的負極鋰，且外表面積大，導電效率高。其次是考慮負極鋰易腐蝕固體電解質，正極硫易腐蝕金屬，這樣內外層的設計安排可以避免相互直接接觸。多孔金屬層51的孔隙中還吸附有一種離子液體，該離子液體耐高溫（＞450℃），能快速傳導鋰離子，且在電池工作溫度范圍呈液態、化學性質穩定。鋰的熔點180℃，鋰對電解質陶瓷管管壁的濕潤溫度為550℃，而正極硫的沸點為444℃，顯然由鋰負極和硫正極簡單構成的鋰硫電池不能正常工作。本專利技術的復合負極管結構有效的解決了該技術難題，多孔金屬作為無機固體電解質的支撐體，顯著增強管體力學強度的同時，可吸附填充一種離子液體，離子液體具有表面活性的功能，與無機固體電解質表面有很好的相容性，同時可顯著降低熔融鋰金屬的表面張力，有效改善了熔融鋰金屬與無機固體電解質界面相容性，從而降低界面電阻，使電池可以在較低的溫度下本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多管式鋰硫電池，包括正極(1)、正極外殼(2)、負極(3)和負極外殼(4)，所述正極為含有活性硫的S/C復合活性物，所述負極包括鋰金屬的負極活性物質，其特征在于，所述負極(3)通過陣列排布的若干個復合負極管(5)延伸至正極(1)中，所述復合負極管(5)包括內層的多孔金屬層(51)及附著在外層的由多孔金屬層支撐的固體電解質層(52)，該多孔金屬層與負極外殼(4)相連，共同構成負極集電極，所述正極外殼(2)與正極中的碳材料接觸，共同構成正極集電極。

【技術特征摘要】
1.一種多管式鋰硫電池，包括正極(1)、正極外殼(2)、負極(3)和負極外殼(4)，所述正極為含有活性硫的S/C復合活性物，所述負極包括鋰金屬的負極活性物質，其特征在于，所述負極(3)通過陣列排布的若干個復合負極管(5)延伸至正極(1)中，所述復合負極管(5)包括內層的多孔金屬層(51)及附著在外層的由多孔金屬層支撐的固體電解質層(52)，該多孔金屬層與負極外殼(4)相連，共同構成負極集電極，所述正極外殼(2)與正極中的碳材料接觸，共同構成正極集電極。2.根據權利要求1所述的多管式鋰硫電池，其特征在于，所述正極(1)與負極(3)之間設置有絕緣環(6)，該絕緣環與固體電解質層連接。3.根據權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：江南山，
申請(專利權)人：江南山，
類型：發明
國別省市：安徽,34