硫碳复合材料和包含所述硫碳复合材料的锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及一种硫碳复合材料和包含所述硫碳复合材料的锂硫电池，并且更特别地，涉及一种硫碳复合材料，其包含多孔碳材料、具有电解液负载能力的聚合物和硫，其中将所述涂布有具有电解液负载能力的聚合物的多孔碳材料与硫混合。通过将包含具有电解液负载能力的聚合物的涂层引入到所述多孔碳材料的表面上，本发明专利技术能够改善硫和电解液的反应性，从而提高锂硫电池的性能和寿命特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硫碳复合材料和包含所述硫碳复合材料的锂硫电池
本申请要求于2017年11月3日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2017-0145812的权益，该韩国专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文中。本专利技术涉及一种硫碳复合材料和包含所述硫碳复合材料的锂硫电池。
技术介绍
随着电子装置和通信装置近来迅速变得更小、更轻和更复杂并且考虑到环境问题而使得电动车辆的必要性已经高度凸显，对于改善用作这些产品的能源的二次电池的性能和寿命的需求日益增加。作为满足这样的需求的二次电池，使用硫化合物作为正极活性材料的锂硫电池已经受到了关注。锂硫电池为使用具有硫-硫键的硫化合物作为正极活性材料并且使用锂金属、具有锂离子的嵌入/脱嵌的碳基材料或与锂形成合金的硅、锡等作为负极活性材料的二次电池。在锂硫电池中，当放电时，在正极中通过硫接受电子而发生还原反应，并且在负极中通过锂被离子化而发生氧化反应。具体地，硫在放电之前为环状S8，并且使用氧化还原反应来储存和产生电能，其中在还原反应(放电)期间，随着硫-硫键断裂，硫的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)期间，随着硫-硫键再次形成，硫的氧化数增加。特别是，锂硫电池具有1675mAh/g的理论放电容量和2600Wh/kg的理论能量密度，该理论能量密度高达目前研究的锂离子电池(约570Wh/kg)的约5倍，因此是能够获得高容量、高能量密度和长寿命的电池。此外，作为正极活性材料的主要材料的硫具有以下优势：具有低的原子量，由于资源丰富而容易供应，价格低廉，没有毒性，并且环保，因此已经对锂硫电池进行了广泛的研究，其优势在于可用作诸如电动车辆的中到大型装置以及便携式电子装置的能源。在锂硫电池中用作正极活性材料的硫具有5×10-30S/cm的电导率，并且为没有导电性的非导体，因此存在通过电化学反应产生的电子难以迁移的问题。因此，在使用时，硫已经与能够提供电化学反应部位的导电材料如碳复合。同时，锂硫电池尚未被商业化，这是因为在实际驱动中随着循环的进行，初始容量和循环寿命迅速降低，因而无法确保足够的性能。这是因为这样的事实，即作为正极活性材料的硫由于还原反应而发生体积膨胀，或由于作为中间产物的多硫化锂在还原反应期间被溶出到电解液中并且不再参与电池的充电和放电反应而损失。因此，为了改善硫碳复合材料的稳定性和电化学反应性，已经提出了各种技术。作为一例，韩国专利申请公布第2016-0046775号公开了通过在包含硫碳复合材料的正极活性部位的一部分表面上设置由两亲性聚合物形成的正极涂层，可以通过促进锂离子迁移以及抑制多硫化锂溶出来提高电池的循环特性。此外，韩国专利申请公布第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，阻止多硫化锂的溶出，并且提高硫碳纳米管复合材料的导电性和硫的负载量。在这些专利中提出的硫碳复合材料已经通过涂层在某种程度上改善了硫损失的问题，然而，在稳定性和反应性维持方面，效果仍不足。因此，更需要开发具有优异的稳定性和电化学反应性的硫碳复合材料。[现有技术文献][专利文献]韩国专利申请公布第2016-0046775号(2016年4月29日)，锂硫电池用负极和其制备方法。韩国专利申请公布第2016-0037084号(2016年4月5日)，硫碳纳米管复合材料、其制备方法、包含所述硫碳纳米管复合材料的锂硫电池用负极活性材料和包含所述负极活性材料的锂硫电池。
技术实现思路
【技术问题】作为鉴于上述情况进行广泛研究的结果，本专利技术的专利技术人已经确认了，通过在多孔碳材料表面上引入包含具有电解液负载能力的聚合物的涂层，改善电解液的可及性和接触性从而提高硫碳复合材料的电化学反应性和包含所述硫碳复合材料的电池的性能。因此，本专利技术的一个方面提供一种硫碳复合材料，其能够通过在多孔碳材料与硫之间形成包含具有电解液负载能力的聚合物的涂层来维持初始容量和寿命特性。本专利技术的另一个方面提供一种包含所述硫碳复合材料的正极和包含所述正极的锂硫电池。【技术方案】根据本专利技术的一个方面，提供一种硫碳复合材料，其包含多孔碳材料；具有电解液负载能力的聚合物；和硫。所述多孔碳材料的内表面和外表面中的至少任一个表面可以包含含有所述具有电解液负载能力的聚合物的涂层。所述硫碳复合材料可以处于其中形成有所述涂层的所述多孔碳材料与所述硫混合的状态。所述聚合物可以具有50％以上的电解液负载能力。具有电解液负载能力的聚合物可以包含选自由聚氨酯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚烯烃、聚(甲基)丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚碳酸甲酯、聚乙基唑啉、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯醚和聚乙烯吡咯烷酮构成的组中的至少一种。基于100重量份的所述多孔碳材料，可以包含0.1重量份至50重量份的所述具有电解液负载能力的聚合物。根据本专利技术的另一个方面，提供一种锂硫电池用正极，其包含所述硫碳复合材料。根据本专利技术的又一个方面，提供一种锂硫电池，其包含所述正极。【有益效果】根据本专利技术的硫碳复合材料在多孔碳材料表面上设置有包含具有电解液负载能力的聚合物的涂层，并且能够通过使电解液在复合材料内部保持均匀来改善与硫的反应性，由此可以提高锂硫电池的性能和寿命特性。附图说明图1为显示根据本专利技术的实验例1的硬币型电池的充电和放电容量的图。图2为显示根据本专利技术的实验例1的硬币型电池的放电性能的图。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当被解释为限于常见的含义或词典中的含义，并且应当基于本申请的专利技术人可以适当地定义术语的概念以最好地描述本专利技术的原则被解释为符合本公开的技术构思的含义和概念。本专利技术中使用的术语仅用于描述具体实施方式而不是为了限制本专利技术。除非上下文另外明确表示，否则本文中使用的单数形式也包含复数形式。在本专利技术中，诸如“包含”或“具有”的术语是用于表明说明书中记载的特征、数字、步骤、行为、成分、组分或其组合的存在，并且需要被解释为不排除存在或添加其它特征、数字、步骤、行为、成分、组分或其组合中的一个以上的可能性。本说明书中使用的术语“复合材料”是指组合了两种以上材料并且在形成物理上和化学上不同的相的同时显示出更有效的功能的材料。本说明书中使用的术语“电解液负载能力”是指收容和保持电解液的能力，并且与暂时接触或摄取相应材料或组分的区别在于长时间均匀地负载电解液。锂硫电池在许多锂二次电池中具有较高的放电容量和理论能量密度，并且作为下一代电池已经受到关注，其优势在于用作正极活性材料的硫的资源丰富并且价格低廉，并且环保。然而，硫在锂硫电池中通过还原反应从环状S8转化成线性结构的多硫化锂(Li2Sx，x＝8、6、4和2)，并且当这样的多硫化锂被完全还原时，最后产生硫化锂(Li2S)。在作为硫的还本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫碳复合材料，其包含：/n多孔碳材料；/n具有电解液负载能力的聚合物；和/n硫。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171103 KR 10-2017-01458121.一种硫碳复合材料，其包含：
多孔碳材料；
具有电解液负载能力的聚合物；和
硫。


2.根据权利要求1所述的硫碳复合材料，其中所述多孔碳材料的内表面和外表面中的至少任一个表面包含含有所述具有电解液负载能力的聚合物的涂层。


3.根据权利要求1所述的硫碳复合材料，其中所述硫碳复合材料处于其中形成有所述涂层的所述多孔碳材料与所述硫混合的状态。


4.根据权利要求1所述的硫碳复合材料，其中所述聚合物具有50％以上的电解液负载能力。


5.根据权利要求1所述的硫碳复合材料，其中所述具有电解液负载能力的聚合物包含选自由聚氨酯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚烯烃、聚(甲基)丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚碳酸甲酯、聚乙基唑啉、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚乙烯醚和聚乙烯吡咯烷酮构成的组中的至少一种。


6.根据权利要求1所述的硫碳复合材料，其中基于100重量份的所述多孔碳材料，包含0.1重量份至50重...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩京，高童郁，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