金属-硫电池正极，其制造方法以及包括其的金属-硫电池技术

提供一种金属‑硫电池正极，其制造方法以及包括该正极的金属‑硫电池。所述正极包括包含碳材料和含硫材料的正极活性材料层。在所述正极活性材料层中，分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。通过提供呈现高硫利用率的正极，可以提供具有高容量和稳定的寿命特性的金属‑硫电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属-硫电池正极，其制造方法以及包括其的金属-硫电池
本专利技术涉及金属-硫电池，尤其涉及金属-硫电池的正极。
技术介绍
近来，随着电子设备领域和电动车辆领域的快速发展，对二次电池的需求正在增加。特别地，随着便携式电子设备的小型化和轻量化的趋势，对具有高能量密度的二次电池的需求不断增长。在二次电池中，锂-硫电池使用具有硫-硫键的硫基化合物作为正极活性材料，并且使用可以嵌入和脱嵌锂离子的碳基材料作为负极活性材料。在这种锂-硫电池的正极中，在还原反应(放电)中，随着硫与硫之间的键断裂，硫的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)中，随着硫-硫键的形成，硫的氧化数增加。氧化还原反应用于存储和产生电能。这种锂-硫电池具有每单位重量能量密度高的优点，并且在正极活性材料中使用的元素硫每单位重量能量密度高、成本低并且对人体没有伤害。因此，作为未来市场上替代锂二次电池的下一代二次电池，锂-硫电池受到了广泛的关注，并且有望在例如大规模储能系统(EnergyStorageSystem,ESS)和无人机市场中产生巨大的影响。但是，锂-硫电池存在如下问题：由于在电池工作时硫作为正极活性材料的利用率(即，参与电化学氧化反应的硫的比例)低，因此电池容量低。另外，因为硫(多硫化锂)在电池工作时溶入电解质中，以及在某些情况下由于硫化锂的析出，而缩短了锂-硫电池的寿命。另外，在锂-硫电池中，作为正极活性材料的硫的电导率低，因此在锂-硫电池初次充电或放电时难以形成作为锂-硫电池的主要电化学反应介质的多硫化锂。因此，在低温下，存在电池特性明显变差或电池不能工作的问题。另一方面，用于制造电极的常规成型方法复杂并且可再现性差，特别是，由于对水分的敏感性，使用硫化锂的电池研究在电极开发中具有很大的困难。[专利文件]韩国专利公开号10-2006-0023470
技术实现思路
技术问题本实施方式要解决的问题是提供一种具有高容量且稳定寿命特性的金属-硫电池用正极的制造方法。另外，本实施方式提供了即使在诸如0℃-10℃的低温下也可以工作的金属-硫电池。技术方案解决上述技术问题的本专利技术的一个方面提供了一种锂-硫电池正极。所述正极包括包含碳材料和含硫材料的正极活性材料层。在所述正极活性材料层中，分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。所述含硫材料可以是S8、Li2S、硫化聚合物或其两种或更多种的混合物。例如，所述含硫材料可以是S8和Li2S的混合物。在所述正极活性材料层中，S8的重量可以高于Li2S的重量。所述碳材料可以是石墨烯。所述正极活性材料层中的所述含硫材料的重量可以高于所述碳材料的重量。所述正极活性材料层可以包括60-90wt％的所述含硫材料和剩余wt％的碳材料。在使所述含硫材料致密的区域中，纳米尺寸的含硫材料颗粒可以聚集并且被所述碳材料包围。所述含硫材料可以包含硫化锂纳米颗粒，并且一些所述硫化锂纳米颗粒可以是棒状纳米颗粒。所述含硫材料可以包含硫化锂，并且所述硫化锂具有正交晶相。本专利技术的另一方面提供了一种金属-硫电池的正极的制造方法。所述方法包括制备碳材料和含硫材料的混合物，并将所述混合物放入模具中加压以形成正极活性材料层，所述正极活性材料层为自支撑膜。所述含硫材料可以是S8、Li2S、硫化聚合物或其两种或更多种的混合物。所述含硫材料可以是S8和Li2S的混合物。在正极活性材料层中，S8的重量可以高于Li2S的重量。所述混合物中所述含硫材料的重量可以高于所述碳材料的重量。所述加压可以在750-1100MPa下进行。所述含硫材料可以包含Li2S，并且所述Li2S可以在所述混合物中具有立方晶相，并且在被压制之后，在所述正极活性材料层中变为正交晶相。本专利技术的另一方面提供了一种金属-硫电池。所述电池包括正极，设置成面对所述正极的负极以及位于所述正极和负极之间的电解质。所述电解质可以是非水液体电解质。所述电解质还可以包含铵盐。有益效果如上所述，根据本专利技术，通过制造能够显示高硫利用率的正极，可以提供具有高容量和稳定的寿命特性的金属-硫电池。另外，通过将添加剂引入电解质中，可以促进多硫化锂的形成，从而使得金属-硫电池能够在低温下工作。然而，本专利技术的效果不限于上述效果，并且本领域技术人员将从以下描述中清楚地理解未提及的其他效果。附图说明图1a是示出根据本专利技术的一种实施方式的金属-硫电池正极的示意图，图1b是示出根据本专利技术的另一实施方式的金属-硫电池正极的示意图。图2分别是根据制备例A2的正极活性材料层的相同横截面的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)图像(a)、其中检测到硫成分的能量色散X-射线光谱(energydispersivex-rayspectroscopy,EDS)图像，以及其中检测到碳成分的EDS图像(b,c)。图3示出了透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)图像，其示出了根据制备例A2的正极活性材料层的横截面的放大部分。图4分别是根据制备例A3的正极活性材料层的相同截面的SEM图像(a)、其中检测到硫成分的EDS图像，以及其中检测到碳成分的EDS图像(b,c)。图5分别是根据制备例A4的正极活性材料层的相同截面的SEM图像(a)、其中检测到硫成分的EDS图像，以及其中检测到碳成分的EDS图像(b,c)。图6分别是根据制备例A1的正极活性材料层的相同截面的SEM图像(a)、其中检测到硫成分的EDS图像，以及其中检测到碳成分的EDS图像(b,c)。图7是分别示出根据制备例A2的正极活性材料层的横截面的放大部分的TEM图像(a)和针对TEM图像中指示的区域的选择区域电子衍射(selectedareaelectrondiffraction,SAED)图像(b)。图8分别是在用根据制备例A2的正极活性材料层驱动根据制备例B2的锂-硫电池之后拍摄的正极活性材料层的横截面的一部分的放大图的SAED图像(a)和TEM图像(b)。图9是示出根据制备例B1的锂-硫电池的充电和放电特性的图。图10是示出根据比较例B1的锂-硫电池的充电和放电特性的图。图11是示出根据制备例B2和比较例B2的锂-硫电池的充电和放电特性的图。图12是示出根据制备例B2和比较例B2的锂-硫电池的循环特性的图。图13是示出根据制备例B2和制备例B5的锂-硫电池在约30℃的室温下的充电和放电特性的图。图14和15是分别示出根据制备例B2和制备例B5的锂-硫电池在约-10℃的低温下的充电和放电特性的图。图16和图17是分别示出根据制备例B2和制备例B3的锂-硫电池的充电和放电特性的图。图18是示出根据制备例A2、A2-1、A2-2和A2-3的正极活性材料层的最终厚度的图。图19是示出根据制备例B2、B2-1、B2-2和B2-3的锂-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂-硫电池的正极，包括：/n正极活性材料层，其包括碳材料和含硫材料，/n其中，在所述正极活性材料层中分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170904 KR 10-2017-01125421.一种锂-硫电池的正极，包括：
正极活性材料层，其包括碳材料和含硫材料，
其中，在所述正极活性材料层中分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。


2.根据权利要求1所述的正极，其中，所述含硫材料为S8、Li2S、硫化聚合物或其两种或更多种的混合物。


3.根据权利要求2所述的正极，其中，所述含硫材料是S8和Li2S的混合物。


4.根据权利要求3所述的正极，其中，在所述正极活性材料层中，所述S8的重量高于所述Li2S的重量。


5.根据权利要求1所述的正极，其中，所述碳材料是石墨烯。


6.根据权利要求1所述的正极，其中，所述正极活性材料层中的所述含硫材料的重量高于所述碳材料的重量。


7.根据权利要求1所述的正极，其中，所述正极活性材料层包含60-90wt％的所述含硫材料和剩余wt％的所述碳材料。


8.根据权利要求1所述的正极，其中，在使所述含硫材料致密的所述区域中，纳米尺寸的含硫材料颗粒聚集并且被所述碳材料包围。


9.根据权利要求8所述的正极，其中，所述含硫材料包括硫化锂纳米颗粒，并且一些所述硫化锂纳米颗粒是棒状纳米颗粒。


10.根据权利要求1所述的正极，其中，所述含硫材料包括硫化...

【专利技术属性】
技术研发人员：宣良国，黄壮渊，
申请(专利权)人：汉阳大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR