硫碳复合物及包含其的锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及一种硫碳复合物及包含其的锂硫电池，并且更特别地，涉及如下的硫碳复合物及包含其的锂硫电池，所述硫碳复合物包含：多孔碳材料；和硫，所述硫在所述多孔碳材料的表面和内部的至少一部分，其中所述多孔碳材料在其内部和外表面上包含含有离子传导性聚合物的涂层。本发明专利技术包含在多孔碳材料表面上的离子传导性聚合物涂层以改善正极的锂离子传导性，从而提高锂硫电池的容量和寿命特性。

Sulphur-carbon complex and lithium-sulfur battery containing it

The present invention relates to a sulphur-carbon composite and a lithium-sulphur battery containing it, and more specifically, to a sulphur-carbon composite and a lithium-sulphur battery containing porous carbon material and sulphur, at least part of the surface and interior of the porous carbon material, which contains ions on its interior and exterior surfaces. Coating of conductive polymers. The invention comprises an ion conductive polymer coating on a porous carbon material surface to improve the lithium ion conductivity of the cathode, thereby improving the capacity and life characteristics of the lithium sulfur battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硫碳复合物及包含其的锂硫电池
本申请要求2016年11月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0145193号和2017年10月12日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0132039号的权益，其公开内容通过引用的方式整体并入本文中。本专利技术涉及具有改善的离子传导性的硫碳复合物及包含其的锂硫电池。
技术介绍
随着电子装置领域和电动车辆领域的快速发展，对二次电池的需求已经增加。特别地，随着便携式电子装置更小更轻的趋势，对满足该趋势的具有高能量密度的二次电池的需求已经增加。在二次电池中，锂硫电池是一种使用具有硫-硫键的硫类化合物作为正极活性材料且使用引起诸如锂的碱金属或诸如锂离子的金属离子的嵌入和脱嵌的碳类材料或者与锂形成合金的硅、锡等作为负极活性材料的二次电池。具体地，使用氧化还原反应来存储和产生电能，在该氧化还原反应中，硫的氧化数在放电即还原反应期间随着硫-硫键的断裂而降低，并且硫-硫键在充电即氧化反应期间随着硫的氧化数的增加而被再次形成。特别地，在锂硫电池中用作正极活性材料的硫具有1675mAh/g的理论能量密度，该理论能量密度相比于锂二次电池中使用的现有正极活性材料的理论能量密度高达约5倍，因此锂硫电池是能够显示出高输出功率和高能量密度的电池。除此之外，硫具有价格低廉、资源丰富、容易获得和环保的优点，因此硫作为诸如电动车辆的中型至大型装置以及便携式电子装置的能源已经受到关注。然而，硫具有5×10-30S/cm的电导率，是无导电性的非导体，因此存在难以通过电化学反应来产生电子迁移的问题。因此，硫与能够提供电化学反应位点的诸如碳的导电材料复合化并作为硫碳复合物使用。传统的硫碳复合物存在的问题在于，硫在氧化还原反应期间会泄漏到电解质中，从而降低电池的寿命，并且作为硫的还原物质的多硫化锂会溶出，使得所述复合物不再参与电化学反应。此外，当电极中的硫过量负载时，还存在容量降低的问题。鉴于上述，已经提出了用于改善导电材料和硫的混合品质的各种技术。作为一个例子，韩国专利申请公开第2016-0037084号公开了通过在包含硫的碳纳米管聚集体上涂布石墨烯可以增加硫碳纳米管复合物的导电性和硫的负载量。然而，为了使硫在锂硫电池中显示出充分的性能，需要锂离子传导性和导电性。锂离子传导性是通过电解液提供的，因此，当硫碳复合物本身具有锂离子传导性时，由电解液提供的锂离子传导性得到进一步提高，从而有利于电池性能的改善。韩国专利申请公开第2016-0046775号公开了可以通过在包含硫碳复合物的正极活性部位的一部分表面上提供由两亲聚合物形成的正极涂层促进锂离子的迁移以及抑制多硫化物的溶出来提高电池的循环性能。这些专利中提供的硫碳复合物通过改进制备方法或组成已在某种程度上改善了导电性，然而，在锂离子传导性方面效果不足。因此，已经越来越需要对具有优异的锂离子传导性的硫碳复合物进行研究。[现有技术文献][专利文献]韩国专利申请公开第2016-0037084号(2016.04.05)，硫碳纳米管复合物、其制备方法、包含其的锂硫电池用正极活性材料以及包含其的锂硫电池韩国专利申请公开第2016-0046775号(2016.04.29)，锂硫电池用正极以及其制备方法
技术实现思路
[技术问题]作为鉴于以上所述而进行的广泛研究的结果，本专利技术的专利技术人已经发现，通过在多孔碳材料的表面上引入包含离子传导性聚合物的涂层，使得锂离子传导性通过促进锂离子转移到复合物的内部而得到改善。因此，本专利技术的一个方面提供硫碳复合物，该硫碳复合物通过在多孔碳材料与硫之间形成包含离子传导性聚合物的涂层而具有提高的锂离子迁移性能。本专利技术的另一个方面提供包含所述硫碳复合物的正极以及包含其的锂硫电池。[技术方案]根据本专利技术的一个方面，提供硫碳复合物，所述硫碳复合物包含：多孔碳材料；和硫，所述硫在多孔碳材料的内部和外表面的至少一部分，其中多孔碳材料的内部和外表面包含含有离子传导性聚合物的涂层。离子传导性聚合物包含选自由聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚烯烃、聚磷腈、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚硅氧烷构成的组中的至少一种。基于100重量份的多孔碳材料，以0.1重量份至50重量份的量包含所述离子传导性聚合物。根据本专利技术的一个方面，还提供硫碳复合物，所述硫碳复合物包含碳材料和硫，所述碳材料的表面涂布有离子传导性聚合物。所述碳材料包含选自由天然石墨、人造石墨和膨胀石墨构成的组中的至少一种。所述硫碳复合物还包含导电材料。根据本专利技术的另一个方面，提供锂硫电池用正极，所述锂硫电池用正极包含硫碳复合物。根据本专利技术的另一个方面，还提供锂硫电池，所述锂硫电池包含所述正极。[有益效果]根据本专利技术的硫碳复合物在多孔碳材料表面上设置有包含离子传导性聚合物的涂层，并且能够有效地将锂离子转移到复合物的内部，从而改善离子传导性以及与正极活性材料的反应性，结果，可以提高锂硫电池的容量和寿命特性。附图说明图1是示出使用本专利技术的实施例1和比较例1制造的锂硫电池的扣式电池的充放电特性的图。具体实施方式在下文中，将更详细地描述本专利技术。本说明书和权利要求中使用的术语或词语不应被解释为限于常见含义或词典含义，而是应当基于专利技术人为了以最佳方式来描述本专利技术而可以适当地定义术语的概念的原则，被解释为对应于本公开的技术构思的含义和概念。本说明书中使用的术语“复合物”是指将两种以上的材料组合并且在形成物理和化学上的不同的相的同时显示出更有效的作用的材料。锂硫电池使用硫作为正极活性材料，并且使用锂金属作为负极活性材料。当锂硫电池放电时，在负极中发生锂的氧化反应并且在正极中发生硫的还原反应。在此，还原后的硫与从负极迁移来的锂离子形成键而被转变为多硫化锂，并且伴随最终形成硫化锂的反应。与现有的锂二次电池相比，锂硫电池具有明显更高的理论能量密度，并且用作正极活性材料的硫具有资源丰富且因此价格低廉从而降低电池制造成本的优点，因此作为下一代电池已经受到关注。尽管有这样的优点，但由于作为正极活性材料的硫的低导电性和锂离子传导性，在实际驱动中难以获得全部的理论能量密度。为了改善硫的导电性，已经使用了利用诸如碳或聚合物的导电材料来形成复合物或涂层的方法。在各种方法中，硫碳复合物已被最广泛地用作正极活性材料，因为它有效地改善了正极的导电性，然而，硫碳复合物在充放电的容量和效率方面是不足的。锂硫电池的容量和效率可以根据转移到正极的锂离子的量而变化。因此，为了使电池具有高容量和高效率，容易将锂离子转移到硫碳复合物中是重要的。鉴于以上所述，本专利技术提供如下的硫碳复合物，所述硫碳复合物包含具有用离子传导性聚合物形成的涂层的碳材料，以通过将锂离子传导性提供至硫碳复合物中而确保硫碳复合物与电解液之间的反应性以及改善锂硫电池的容量和效率特性的效果。根据本专利技术的一个实施方案的硫碳复合物包含：多孔碳材料；和硫，所述硫在多孔碳材料的内部和外表面的至少一部分，其中所述多孔碳材料的内部和外表面包含含有离子传导性聚合物的涂层。根据本专利技术的一个实施方案，多孔碳材料包含在其内部和外表面上的含有离子传导性聚合物的涂层。所述离子传导性聚合物可以通过确保锂离子进入硫碳复合物的内部、即多孔碳材料的孔的内部的迁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料；和硫，所述硫在所述多孔碳材料的内部和外表面中的至少一部分，其中所述多孔碳材料的内部和外表面包含含有离子传导性聚合物的涂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.02 KR 10-2016-0145193;2017.10.12 KR 10-2011.一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料；和硫，所述硫在所述多孔碳材料的内部和外表面中的至少一部分，其中所述多孔碳材料的内部和外表面包含含有离子传导性聚合物的涂层。2.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述离子传导性聚合物包含选自由聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-共-六氟丙烯、聚烯烃、聚磷腈、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚硅氧烷构成的组中的至少一种。3.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中基于100重量份的所述多孔碳材料，以0.1重量份至50重量份的量包含所述离子传导性聚合物。4.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述多孔碳材料包含选自由石墨、石墨烯、炭黑、碳纳米管、碳纤维和活性炭构成的组中的至少一种。5.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述多孔碳材料具有1nm至200nm的平均孔径。6.根据权利要求1所述的硫碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩京，梁斗景，高童郁，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国,KR