含有针铁矿的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池制造技术

技术编号:27011640 阅读:72 留言:0更新日期:2021-01-08 17:23
本发明专利技术涉及一种包含具有海胆形状的针铁矿作为正极添加剂的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池。如果将所述具有海胆形状的针铁矿应用于所述锂二次电池的正极,那么具有通过吸附在所述电池的充电/放电过程中产生的多硫化锂(LiPS)而提高所述电池的充电/放电效率并且改善寿命特性的效果。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含有针铁矿的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池
本专利技术涉及含有针铁矿作为正极添加剂的锂二次电池用正极,并且涉及包含所述正极的具有改善的初始放电容量和寿命特性的锂二次电池。本申请要求基于2019年2月13日提交的韩国专利申请第10-2019-0016498号的优先权的权益,该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术介绍
自20世纪90年代以来,二次电池作为不同于只能放电一次的一次电池而能够连续充电和放电的蓄电装置已经成为便携式电子装置的重要电子部件。特别是,自从锂离子二次电池在1992年由索尼公司在日本商业化以来,其作为诸如智能电话、数码相机和笔记本电脑的便携式电子装置的关键部件而引领了信息时代。近年来,从清洁器和电动工具的电源、要用于诸如电动自行车和电动踏板车的领域的中型电池,到用于诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)以及各种机器人和大规模蓄电系统(ESS)的应用的大容量电池,对锂二次电池的需求正在迅速增长,同时正进一步拓宽锂二次电池的应用领域。然而,在迄今已知的二次电池中具有最佳特性的锂二次电池在积极地用于诸如电动车辆和PHEV的运输车辆方面存在若干问题,并且其中,最大的问题是容量的限制。锂二次电池基本上由诸如正极、电解质和负极的材料构成。在它们当中,由于电池的容量由正极材料和负极材料决定,因此锂离子二次电池由于正极和负极的材料限制而在容量上受到限制。特别是,由于用于诸如电动车辆和PHEV的应用的二次电池在充电一次之后应当能够持续尽可能长的时间,因此二次电池的放电容量是非常重要的。电动车辆销售的最大限制因素之一是在单次充电之后可以行驶的距离比配备有普通汽油发动机的车辆要短得多。尽管付出了很多努力,但是这样的锂二次电池的容量限制由于锂二次电池的结构和材料限制因素而难以完全解决。因此,为了从根本上解决锂二次电池的容量问题,需要开发超越现有二次电池概念的新概念二次电池。锂硫电池是一种新型的高容量和低成本的电池系统,其超越了由锂离子对金属氧化物和石墨的层状结构的嵌入/脱嵌反应(这是现有锂二次电池的基本原理)而决定的容量极限,这可以引起过渡金属的替代和成本节约。锂硫电池具有源自于正极中锂离子和硫的转化反应(S8+16Li++16e-→8Li2S)的1675mAh/g的理论容量,并且负极使用锂金属而使得电池系统能够具有非常高的容量(理论容量:3860mAh/g)。此外,由于放电电压为约2.2V,因此基于正极活性材料和负极活性材料的量,理论能量密度为2600Wh/kg。这些值是使用层状金属氧化物和石墨的市售的锂二次电池(LiCoO2/石墨)的400Wh/kg的理论能量密度的约6倍至约7倍。在2010年左右发现锂硫电池能够通过形成纳米复合物而显著改善电池性能之后,锂硫电池作为一种新型的高容量、环保、低成本的锂二次电池而受到关注,并且目前正作为下一代电池系统在全世界范围内被深入研究。迄今为止揭示的锂硫电池的主要问题之一是由于硫具有约5.0×10-14S/cm的电导率并且因此接近于非导体,因此电极处的电化学反应不容易进行,并且由于非常大的过电压,因此实际的放电容量和电压远低于理论值。早期的研究人员试图通过诸如对硫和碳进行机械球磨或用碳进行表面涂布的方法来改善性能,但是没有实质性的效果。为了有效地解决因电导率限制电化学反应的问题,需要将粒度减小到几十纳米以下的尺寸并且用导电材料进行表面处理,如在作为其它正极活性材料之一的LiFePO4(电导率:10-9S/cm至10-10S/cm)的例子中那样,并且出于该目的,已经报道了各种化学方法(熔融浸渗到纳米级多孔碳纳米结构或金属氧化物结构中)和物理方法(高能球磨)等。与锂硫电池相关的另一个主要问题是多硫化锂溶解到电解质中,所述多硫化锂是在放电期间产生的硫的中间产物。随着放电的进行,硫(S8)与锂离子连续反应,并且因此其相连续变为S8→Li2S8→(Li2S6)→Li2S4→Li2S2→Li2S等,并且其中,作为长链的硫的Li2S8、Li2S4(多硫化锂)等容易溶解在锂离子电池中使用的一般电解质中。当发生这些反应时,不仅可逆的正极容量大幅降低,而且溶解的多硫化锂也会扩散到负极并且引起各种副反应。多硫化锂会引起穿梭反应,特别是在充电过程中,并且因此充电容量持续增加,并且充电/放电效率迅速劣化。近来,为了解决这样的问题,已经提出了各种方法,所述方法可以大致分为改善电解质的方法、改善负极表面的方法、改善正极性能的方法等。改善电解质的方法是通过使用具有新颖组成的新型电解质,如功能性液体电解质、聚合物电解质和离子液体,并且由此抑制多硫化物溶解到电解质中或通过调节粘度等来控制向负极的扩散速率而尽可能地抑制穿梭反应的方法。已经积极地进行了对通过改善负极表面上形成的SEI的特性来控制穿梭反应的研究。典型地,存在添加诸如LiNO3的电解质添加剂以在锂负极的表面上形成LixNOy或LixSOy的氧化物膜的方法和在锂金属的表面上形成厚的功能性SEI层的方法等。最终,作为改善正极性能的方法,存在在正极粒子的表面上形成涂层以防止多硫化物溶解或添加能够捕获溶解的多硫化物的多孔材料等方法。典型地,提出了用导电聚合物涂布含有硫粒子的正极结构的表面的方法;用其上转移锂离子的金属氧化物涂布正极结构的表面的方法;将具有大比表面积和大孔径的多孔金属氧化物添加到正极中的方法,所述多孔金属氧化物能够吸附大量多硫化锂;将能够吸附多硫化锂的官能团连接到碳结构的表面上的方法;使用石墨烯或氧化石墨烯包裹硫粒子的方法等。尽管正在进行这些努力,但是这些方法不仅有些复杂,而且还存在限制可以添加的作为活性材料的硫的量的问题。因此,需要开发新的技术以统一解决这些问题并且改善锂硫电池的性能。[现有技术文献][专利文献](专利文献1)韩国专利第10-0482278号(2005年3月31日),“金属氧化物纳米粉末和其制造方法”。(专利文献2)韩国特许公开专利公布第10-2017-0001374号(2017年1月4日),“锂硫电池和其制造方法”。
技术实现思路
【技术问题】因此,为了解决在锂二次电池的正极侧发生的多硫化锂溶出的问题并且抑制与电解液的副反应,本专利技术的专利技术人将具有海胆形状的针铁矿引入到锂二次电池的正极中,结果确认了,能够通过解决上述问题而改善锂二次电池的电池性能,从而完成了本专利技术。因此,本专利技术的一个目的在于提供一种锂二次电池用正极,其可以解决由多硫化锂引起的问题。此外,本专利技术的另一个目的在于提供一种锂二次电池,其通过包含上述正极而具有改善的电池初始放电容量和寿命特性。【技术方案】为了实现上述目的,本专利技术提供一种锂二次电池用正极,其包含活性材料、导电材料和粘结剂,其中所述正极包含针铁矿,所述针铁矿为通过具有棒状的一次粒子的聚集而形成的二次粒子。在本专利技术的一个实施方式中,相对于锂二次电池用正极中所含本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锂二次电池用正极,其包含活性材料、导电材料和粘结剂,其中所述正极包含针铁矿,所述针铁矿为通过具有棒状的一次粒子的聚集而形成的二次粒子。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190213 KR 10-2019-00164981.一种锂二次电池用正极,其包含活性材料、导电材料和粘结剂,其中所述正极包含针铁矿,所述针铁矿为通过具有棒状的一次粒子的聚集而形成的二次粒子。


2.根据权利要求1所述的锂二次电池用正极,其中相对于所述锂二次电池用正极中所含的100重量份的基础固体,所述针铁矿的含量为1重量份至15重量份。


3.根据权利要求1所述的锂二次电池用正极,其中所述棒状具有10nm至50nm的直径。


4.根据权利要求1所述的锂二次电池用正极,其中所述棒状具有50nm至500nm的长度。


5.根据权利要求1所述的锂二次电池用正极,其中所述二次粒子具有放射状的针状突起结构。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:韩承勋李东俊
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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