硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池技术

本发明专利技术涉及一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料和涂布在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm

Sulfur carbon complex, preparation method and lithium secondary battery containing it

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池
本申请要求于2017年11月16日提交的韩国专利申请号10-2017-0153249和2018年2月23日提交的韩国专利申请号10-2018-0022217以及2018年11月15日提交的韩国专利申请号10-2018-0140659的优先权的权益，这些韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。本专利技术涉及硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池。
技术介绍
近年来，对能量储存技术的关注越来越高。随着其应用领域扩展到用于移动电话、便携式摄像机、笔记本电脑、甚至是电动车辆的能源，正在越来越具体地进行对电化学装置的研究和开发。在这方面，电化学装置是最值得关注的领域，并且其中能够充电/放电的二次电池的开发是关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和能量效率，已经对新电极和电池的设计进行了研究和开发。在目前应用的二次电池中，在20世纪90年代早期开发的锂二次电池正受到很多关注，这是因为其优点在于：其比使用呈水溶液形式的电解液的传统电池如Ni-MH电池、Ni-Cd电池和硫酸铅电池具有高得多的工作电压和能量密度。特别是，锂硫(Li-S)电池是使用具有S-S键(硫-硫键)的硫类材料作为正极活性材料并且使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。所述锂硫电池具有以下优点：作为正极活性材料的主要材料的硫资源非常丰富、无毒并且具有低原子量。此外，所述锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/1克硫，并且其理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的能量密度比目前所研究的其它电池系统的理论能量密度高得多(Ni-MH电池：450Wh/kg；Li-FeS电池：480Wh/kg；Li-MnO2电池：1000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)，因此锂硫电池是迄今为止开发的电池中最有前途的电池。在锂硫电池的放电期间，在负极(阳极)处发生锂的氧化反应并且在正极(阴极)处发生硫的还原反应。在放电之前硫具有环状S8结构。在还原反应(放电)期间，随着S-S键断裂，S的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，S的氧化数增加，从而使用这样的氧化还原反应来储存和产生电能。在该反应期间，硫通过还原反应从环状S8结构转化成线性多硫化锂(Li2Sx，x＝8、6、4、2)，并且最终当这样的多硫化锂被完全还原时，最终产生硫化锂(Li2S)。通过还原成各种多硫化锂的过程，锂硫电池的放电行为的特征为阶段性地显示放电电压，这与锂离子电池不同。这种锂硫电池存在以下问题：由于作为正极活性材料的硫和作为放电期间的产物的硫化锂(Li2S)的绝缘性能以及作为充电/放电期间的中间产物的多硫化物的溶出性，因此容量低于理论值并且循环寿命短。因此，为了改善锂硫电池的性能，已经进行了各种研究以改善硫正极的反应性和循环稳定性。作为锂硫电池用正极活性材料的硫/碳复合物对正极的反应性和循环稳定性有很大的影响，这取决于其形状、结构、比表面积、孔体积。随着硫和碳的接触面积达到最大并且比表面积和孔体积增加，确保了导电性和锂离子传导性，由此可以期望锂硫电池的高性能运行。因此，需要开发一种满足上述条件并且廉价且可大量生产的硫/碳复合物的制备方法。在这方面，硫/碳复合物的常规制备方法包含硫和碳粉的干混，然后通过加热进行硫的液相浸渗。在这种情况下，硫和碳粉各自的粒度为约几十至几百微米，并且通过简单的混合和加热，硫/碳不均匀地分布，并且比表面积和孔体积低，因此关于这些性能尚有改善的空间。(专利文献1)韩国专利公开公布第2015-0043407号，“锂硫电池用复合物”。
技术实现思路
【技术问题】本专利技术的专利技术人已经进行了各种研究，并且由此已经确认了，如果将被粉碎成纳米尺寸的硫与碳混合，然后通过微波使硫以液相浸渗，则硫/碳在整个复合物中均匀地分布并且硫以薄的厚度均匀地涂布在碳的表面上，从而完成了本专利技术。因此，本专利技术的目的在于提供一种硫碳复合物，通过使用微波使硫以液相浸渗并且由此使硫以薄的厚度均匀地涂布在碳的表面上，所述硫碳复合物在用作电极时与现有的复合物相比显示出改善的初始放电容量和高倍率容量；以及所述硫碳复合物的制备方法。【技术方案】为了实现上述目的，本专利技术提供一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料；和涂布在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm3/g至0.400cm3/g并且所述硫碳复合物的比表面积为4.0m2/g至30m2/g。此外，本专利技术提供一种硫碳复合物的制备方法，其包含以下步骤：(a)将多孔碳材料与具有1nm至1μm的粒径的硫混合；(b)将所述混合的硫和多孔碳材料干燥；和(c)向所述经干燥的硫和多孔碳材料的混合物施加微波。此外，本专利技术提供一种正极，其包含所述硫碳复合物。此外，本专利技术提供一种锂二次电池，其包含如上所述的正极；负极；和电解质。【有益效果】根据本专利技术，通过使用微波使硫以液相浸渗并且由此使硫以薄的厚度均匀地涂布在碳的表面上，存在以下效果：可以显示出改善的初始放电容量和高倍率容量，同时维持复合物的比表面积并且抑制多硫化锂的溶出。附图说明图1是根据本专利技术的实施例1和比较例1的硫碳复合物的SEM照片。图2是示出根据本专利技术的实施例1和比较例1的硫碳复合物的孔径的测量结果的图。图3是示出用本专利技术的实施例1和比较例1的硫碳复合物制造的锂二次电池的放电容量的图。图4是示出用本专利技术的实施例1和比较例1的硫碳复合物制造的锂二次电池的寿命特性的图。图5是根据本专利技术的实施例2和比较例2的硫碳复合物的SEM照片。图6是示出根据本专利技术的实施例2和比较例2的硫碳复合物的孔径的测量结果的图。图7是示出用本专利技术的实施例2和比较例2的硫碳复合物制造的锂二次电池的放电容量的图。图8是示出用本专利技术的实施例2和比较例2的硫碳复合物制造的锂二次电池的寿命特性的图。具体实施方式在下文中，将参照附图详细描述本专利技术以使得本领域技术人员可以容易地实施本专利技术。然而，本专利技术可以以各种不同的形式实施，并且不限于此。在附图中，为了清楚说明本专利技术，省略了与本专利技术的描述无关的部分，并且在整个说明书中，类似的附图标记用于类似的部分。此外，附图中所示的组成部分的尺寸和相对尺寸与实际比例尺无关，并且为了清楚描述，可以缩小或放大。本说明书和权利要求书中所用的术语和词语不应被解释为限于普通和字典的含义，而是应该在允许专利技术人为了最佳说明而适当定义术语的原则的基础上，基于符合本公开的技术构思的含义和概念来解释。本文所用的术语“复合物”是指两种以上的材料被组合而在形成物理上和化学上彼此不同的相的同时显示出更有效的功能的材料。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。在锂硫电池的放电期间，在负极处发生锂的氧化反应并且在正极处发生硫的还原反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料；和涂布在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171116 KR 10-2017-0153249;20180223 KR 10-2018-001.一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料；和涂布在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm3/g至0.400cm3/g并且所述硫碳复合物的比表面积为4.0m2/g至30m2/g。


2.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.250cm3/g至0.400cm3/g并且所述硫碳复合物的比表面积为18.5m2/g至30m2/g。


3.根据权利要求2所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.300cm3/g至0.350cm3/g，所述硫碳复合物的比表面积为19.5m2/g至30m2/g，并且所述硫碳复合物的孔径在55nm至100nm的范围内。


4.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm3/g至0.20cm3/g并且所述硫碳复合物的比表面积为4.0m2/g至20m2/g。


5.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.05cm3/g至0.15cm3/g，所述硫碳复合物的比表面积为4.5m2/g至10m2/g，并且所述硫碳复合物的孔径在40nm至100nm的范围内。


6.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述硫被涂布至1nm至10nm的厚度。


7.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100nm至50μm的直径。


8.根据权利要求2所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物以7.5:2.5至4:6的重量比包含硫和所述多孔碳材料。


9.根据权利要求4所述的硫碳复合物，其中所述硫碳复合物以7.5:2.5至9:1的重量比包含硫和所述多孔碳材料。


10.根据权利要求1所述的硫碳复合物，其中所述多孔碳材料为选自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：金义泰，韩承勋，孙权男，梁斗景，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR