锂‑硫电池用正极、其制造方法以及包含其的锂‑硫电池技术

技术编号:17310396 阅读:14 留言:0更新日期:2018-02-19 10:30
本发明专利技术涉及锂‑硫电池用正极、其制造方法以及包含其的锂‑硫电池。所述锂‑硫电池用正极包含:含有硫‑碳复合材料的正极活性材料;和硫‑碳化合物。本发明专利技术的锂‑硫电池能够克服因硫的密度降低而引起的低电池容量问题,并由此提高容量特性和电池寿命特性。

Cathode, lithium sulfur battery and its manufacturing method lithium sulfur battery comprising the same

The present invention relates to a cathode for lithium sulfur battery, its manufacturing method and lithium battery comprising the same sulfur. The positive electrode containing the lithium sulfur battery: cathode active material containing sulfur carbon composites and carbon; sulfur compounds. Lithium sulfur battery of the invention can overcome the low battery capacity problem caused by sulfur density decreased, and thus improve the capacity and battery life characteristics.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂-硫电池用正极、其制造方法以及包含其的锂-硫电池
本申请要求于2015年9月14日提交的韩国专利申请10-2015-0129704号以及于2016年9月9日提交的韩国专利申请10-2016-0116285号的优先权,其全部内容通过参考并入本文中。本专利技术涉及锂-硫电池用正极、其制造方法以及含有其的锂-硫电池,其中所述正极包含导电材料和活性材料,其各自含有硫,由此提高电极中的硫含量,确保高导电性,扩大驱动电压范围,并确保额外的电池容量。
技术介绍
近年来,随着便携式电子设备和电动车辆领域迅速发展,电子产品和通讯设备的小型化、轻量化和高性能化正在快速推进。据此,具有高能量密度的二次电池作为这些产品的电源是非常需要的。在这样的二次电池中,使用硫基材料作为正极活性材料的锂-硫电池具有2800Wh/kg(1675mAh/g)的能量密度,这比其它电池的能量密度高得多。而且,由于用作正极活性材料的硫基材料丰富、便宜且环境友好,所以因提供如下优势而引起注意:活性材料的供应容易,其环境友好,并且表现出高能量密度是可能的。现有的锂-硫电池通常使用作为正极活性材料的具有硫-硫键(S-S键)的硫基化合物和作为负极活性材料的碳基材料,其中诸如锂的碱金属或诸如锂离子的金属离子等嵌入/脱嵌。由此,在储存和产生电能的过程中,它们使用氧化还原反应,其中在还原反应期间(当放电时)S-S键断裂以降低S的氧化数,并且在氧化反应期间(当充电时)重新形成S-S键以增加S的氧化数。2Li+S8(固体)Li2S8(溶液)2Li+Li2S8(溶液)2Li2S4(溶液)2Li+Li2S4(溶液)2Li2S2(溶液)2Li+Li2S2(溶液)2Li2S(固体沉淀)然而,现有的锂-硫电池显示了这样的问题,在充电/放电反应期间在正极上形成的多硫化锂(Li2Sx,x>1)损失到正极反应区域之外,从而降低其寿命特性。如果多硫化锂铺展开而离开正极的电化学反应区域,则参与正极的电化学反应的硫的量减少,这最终导致容量损失。此外,当由于连续的充电/放电反应,多硫化锂与锂金属负极反应而将硫化锂(Li2S)固定在锂金属表面上时,反应活性降低且电势特性劣化。为了解决上述问题,先前已经提出以块状形式添加活性材料硫,但是这产生如下缺点:初始阶段的反应不均匀并且隔离膜撕裂以增加内部短路的可能性。还提出了在碳片上形成活性材料硫的独立(free-standing)形状,然后层压所述片以形成多层,但是显示出难以将其应用于批量生产和电池制造工艺。此外,已经提出了以可溶性多硫化物(Li2Sx,4≤x≤8)的形式添加活性材料的方法。然而,该方法显示了如下缺点:合成可溶性多硫化物需要很长的时间,并且能够添加的活性材料硫的量受到限制。除了上述之外,还进行多种尝试:使用含有硫的导电络合物作为正极活性材料;在电极表面上涂布保护层;降低作为锂-硫电池正极活性材料的硫的尺寸;使用粘度低且对多硫化物具有高溶解度的溶剂;通过添加具有大比表面积的碳来形成硫/碳复合材料等。然而,当通过添加比表面积大的碳来形成硫/碳复合材料时,硫的含量是固定的。相反,因为硫的密度由于碳而相对降低,所以电池容量受到限制。现有技术[专利文献]1.日本专利5142415号2.韩国专利未决的公布2015-0043407号3.日本专利未决的公布2015-0092449号4.韩国专利未决的公布2014-0107582号[非专利文献]1.J.W.Choi等,NanoLett.(纳米快报),2013,13,4532-45382.J.W.Choi等,Adv.Funct.Mater.(先进功能材料),2014,卷24,5359-5367页
技术实现思路
[技术问题]本专利技术的目的在于提供一种锂-硫电池用正极,其能够克服因硫的密度降低而造成的低电池容量问题,并由此提高电池的容量和寿命。本专利技术的另一个目的是提供一种制造锂-硫电池用正极的方法。本专利技术的还一个目的是提供一种包含所述锂-硫电池用正极的锂-硫电池。[技术方案]根据本专利技术的一个优选实施方案,提供一种锂-硫电池用正极,所述正极包含含有硫-碳复合材料的正极活性材料和含有硫-碳化合物的导电材料。硫-碳化合物可以是具有硫(S)-碳(C)化学键的化合物。所述含有硫-碳化合物的导电材料可以具有0.01~0.05S/cm的电导率。硫-碳复合材料可以具有硫粒子的表面被碳粒子围绕的结构。硫-碳复合材料可以具有1~5μm的尺寸,硫粒子可以具有1~5μm的尺寸,并且碳粒子可以具有10~50nm的尺寸。根据本专利技术的另一个优选实施方案,提供一种锂-硫电池,所述锂-硫电池包含彼此面对的正极和负极、以及设置在正极与负极之间的隔膜,其中所述正极具有正极活性材料层,所述正极活性材料层包含含有硫-碳复合材料的正极活性材料和含有硫-碳化合物的导电材料。基于正极活性材料层的总重量,正极活性材料层可以以2~25重量%的量包含硫-碳化合物。根据本专利技术的还一个优选实施方案,提供一种制造锂-硫电池用正极的方法,所述方法包括以下步骤:形成含有硫-碳复合材料的正极活性材料;形成含有硫-碳化合物的导电材料;以及将含有硫-碳复合材料的正极活性材料和含有硫-碳化合物的导电材料混合以形成正极活性材料层。通过将硫前体和碳前体混合并对混合物进行热处理的步骤,可以制备所述硫-碳化合物。可以在惰性气体气氛下在300~600℃的温度下将所述对混合物进行热处理的步骤实施1~12小时。通过将硫粒子和碳粒子混合,然后对混合物进行球磨,可以制备所述硫-碳复合材料。有益效果本专利技术的锂-硫电池能够克服因硫的密度降低而引起的低电池容量问题,并由此提高容量特性和电池寿命特性。附图说明图1是根据本专利技术一个实例的包含硫-碳复合材料和硫-碳化合物的锂-硫电池用正极的示意图。图2是根据本专利技术一个实例的锂-硫电池的图。图3是本专利技术制备例2中合成的硫-碳化合物的扫描电子显微镜(SEM)图像。图4是本专利技术制备例2中合成的硫-碳化合物的热重分析(TGA)结果。图5显示了在本专利技术的实验1中测量的锂-硫电池的充电/放电特性。图6显示了在本专利技术的实验2中测量的锂-硫电池的寿命特性。具体实施方式下文中,将通过参考关于本专利技术实例的附图来详细地解释本专利技术,使得本领域的普通技术人员能够容易地实施本专利技术。然而,本专利技术可以以各种方式实现,而不限于本文中提供的实例。在本专利技术中使用术语,仅用于说明特定的实例,并不意图限制本专利技术。除非上下文另有明确规定,否则单数形式的表述包括复数形式。如本文中使用的术语“包含”、“具有”等应该被理解为是指存在本说明书中描述的特征、图、步骤、动作、元件、组件或其组合,但不预先排除存在或添加一种或多种其他特征、图、步骤、动作、元件、组件或其组合的可能性。如本文中所使用的硫电池是指包含元素硫(S8)、硫基化合物或其混合物作为正极活性材料的所有电池。具体而言,可以提及的有锂-硫电池、钠-硫电池或镁-硫电池等。下面,主要基于锂-硫电池对本专利技术进行解释,但本专利技术不限于此。根据本专利技术一个实施方案的锂-硫电池用正极包含含有硫-碳复合材料的正极活性材料和含有硫-碳化合物的导电材料。锂-硫电池用正极包含硫-碳复合材料作为正极活性材料,并另外包含硫-碳化合物作为导电材料,由此能够提高电池本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种锂‑硫电池用正极,所述正极包含:含有硫‑碳复合材料的正极活性材料;和含有硫‑碳化合物的导电材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.14 KR 10-2015-01297041.一种锂-硫电池用正极,所述正极包含:含有硫-碳复合材料的正极活性材料;和含有硫-碳化合物的导电材料。2.根据权利要求1所述的锂-硫电池用正极,其中所述硫-碳化合物是具有硫(S)-碳(C)化学键的化合物。3.根据权利要求1所述的锂-硫电池用正极,其中所述含有硫-碳化合物的导电材料的导电率为0.01S/cm~0.05S/cm。4.根据权利要求1所述的锂-硫电池用正极,其中所述硫-碳复合材料具有硫粒子的表面被碳粒子围绕的结构。5.根据权利要求4所述的锂-硫电池用正极,其中所述硫碳复合材料的尺寸为1μm~5μm,所述硫粒子的尺寸为1μm~5μm,且所述碳粒子的尺寸为10nm~50nm。6.一种锂-硫电池,所述锂-硫电池包含:彼此面对的正极和负极;和设置在所述正极与所述负极之间的隔膜,其中所述正极具有正极活性材料层,所述正极活性材...

【专利技术属性】
技术研发人员:金伦耕梁斗景权起暎朴寅台
申请(专利权)人:株式会社LG化学
类型:发明
国别省市:韩国,KR

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