锂硫二次电池制造技术

本发明专利技术涉及一种锂硫二次电池，并且更具体地，涉及一种如下的锂硫二次电池，其中正极包含：包含微孔碳材料和硫的硫碳复合物；或包含具有高比表面积的碳材料的导电添加剂，并且通过指定正极和电解液的条件，与常规的锂硫二次电池相比，可以提高能量密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫二次电池
本申请要求基于于2018年11月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0145531号、于2018年12月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0160599号、于2019年11月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0145596号和于2019年11月14日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0145598号的优先权的权益，这些韩国专利申请的公开内容以引用的方式整体并入本文。本专利技术涉及一种锂硫二次电池。
技术介绍
随着二次电池的应用领域扩展到电动车辆(EV)、储能系统(ESS)等，具有相对低的重量储能密度(约250Wh/kg)的锂离子二次电池在应用于这样的产品时受到限制。另一方面，锂硫二次电池具有高的理论能量密度(约2600Wh/kg)，并且因此作为下一代二次电池技术而已经受到关注。锂硫二次电池为使用具有硫-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电池系统。这样的锂硫二次电池具有的优势在于作为正极活性材料的主要材料的硫在全球范围内具有非常丰富的资源、无毒并且具有低的原子量。在锂硫二次电池的放电期间，作为负极活性材料的锂在释放电子并且被离子化的同时被氧化，而作为正极活性材料的硫类材料通过接收电子而被还原。此时，锂的氧化反应为其中锂金属释放电子并且变为锂阳离子形式的过程。此外，硫的还原反应为其中硫-硫键接收两个电子并且变为硫阴离子形式的过程。通过锂的氧化反应而产生的锂阳离子通过电解质转移到正极，并且通过与通过硫的还原反应而产生的硫阴离子键合而形成盐。具体地，硫在放电之前具有环状S8结构，并且其通过还原反应而变为多硫化锂(Li2Sx，x＝8、6、4、2)，并且当这种多硫化锂被完全还原时，最终产生硫化锂(Li2S)。由于作为正极活性材料的硫的电导率低，因此在固态形式下难以确保与电子和锂离子的反应性。为了改善硫的这样的反应性，常规的锂硫二次电池产生呈Li2Sx形式的中间多硫化物而引起液态反应并且改善反应性。在这种情况下，将对多硫化锂具有高溶解性的诸如二氧戊环或二甲氧基乙烷的醚类溶剂用作电解液的溶剂。此外，常规的锂硫二次电池构建了阴极电解质型锂硫二次电池系统以改善反应性，并且在这种情况下，由于多硫化锂容易溶解在电解液中的性质，因此硫的反应性和寿命特性受到电解液含量的影响。此外，低含量的电解质条件对于高能量密度来说是必要的，然而，随着电解液的减少，电解液中多硫化锂的浓度增加，从而由于活性材料的迁移率的降低和副反应的增加而使得正常的电池驱动变得困难。这样的多硫化锂溶出会不利地影响电池容量和寿命特性，并且已经提出了各种用于抑制多硫化锂溶出的技术。作为一例，韩国专利申请公布第2016-0037084号公开了使用涂有石墨烯的具有三维结构的碳纳米管聚集体作为碳材料可以防止多硫化物溶出，并且提高硫碳纳米管复合物的电导率。此外，韩国专利第1379716号公开了通过使用通过用氢氟酸处理石墨烯以在石墨烯表面上形成孔隙并且在所述孔隙中生长硫粒子的方法而制备的、包含硫的石墨烯复合物作为正极活性材料，抑制了多硫化锂的溶出，由此可以将电池容量的降低减到最低限度。通过改变用作正极活性材料的硫碳复合物的结构或材料，这些专利通过防止多硫化锂的溶出已经在一定程度上改善了锂硫二次电池的性能下降的问题，然而，效果是不够的。因此，为了构建具有高能量密度的锂硫二次电池，需要能够驱动高负载和低孔隙率电极的电池系统，并且在本领域中一直在对这样的电池系统进行研究。[现有技术文献][专利文献]韩国专利申请公布第2016-0037084号(2016年4月5日)，SULFUR-CARBONNANOTUBECOMPLEX,METHODOFPREPARINGTHESAME,CATHODEACTIVEMATERIALFORLITHIUM-SULFURBATTERYINCLUDINGTHESAME,ANDLITHIUM-SULFURBATTERYINCLUDINGTHESAME(硫碳纳米管复合物、其制备方法、包含所述硫碳纳米管复合物的锂硫电池用正极活性材料和包含所述正极活性材料的锂硫电池)。韩国专利第1379716号(2014年3月25日)，LITHIUM-SULFURSECONDARYBATTERYHAVINGPOSITIVEELECTRODEWHICHISCONSTRUCTEDWITHGRAPHENECOMPOSITEINCLUDINGSULFUR,ANDAFORMINGMETHODTHEREOF(具有用包含硫的石墨烯复合物构造的正极的锂硫二次电池和其形成方法)。[非专利文献]AbbasFotouhi等，Lithium-SulfurBatteryTechnologyReadinessandApplications-AReview(锂硫电池技术的准备和应用——综述)，Energies2017,10,1937。
技术实现思路
【技术问题】作为鉴于上述情况进行了广泛研究的结果，本专利技术的专利技术人已经确认，通过将正极和电解液调节为处于特定条件下，获得了高能量密度的锂硫二次电池，并且完成了本专利技术。因此，本专利技术的一个方面提供一种具有优异的能量密度的锂硫二次电池。【技术方案】根据本专利技术的一个方面，本专利技术的一个实施方式提供一种锂硫二次电池，其包含正极、负极、隔膜和电解液，其中所述正极包含硫碳复合物，所述硫碳复合物包含微孔碳材料和硫；并且所述正极具有0.45以上的由以下数学式1表示的SC因子值：[数学式1]SC因子＝α×L/P在数学式1中，P、L和α遵循本说明书中的描述。所述微孔碳材料可以包含具有1nm～10nm的平均直径的孔隙。所述微孔碳材料可以具有500m2/g～4500m2/g的比表面积。所述微孔碳材料可以具有10％～90％的孔隙率。所述微孔碳材料可以具有0.8cm3/g～5cm3/g的孔体积。所述硫可以包含选自由无机硫、Li2Sn(n≥1)、二硫化物化合物、有机硫化合物和碳硫聚合物构成的组中的至少一种。基于所述硫碳复合物的总重量，可以包含50重量％～90重量％的量的硫。根据本专利技术的另一个实施方式，提供一种锂硫二次电池，其包含正极、负极、隔膜和电解液，其中所述正极包含含有具有高比表面积的碳材料的导电添加剂，并且所述正极具有0.45以上的由以下数学式1表示的SC因子值：[数学式1]SC因子＝α×L/P在数学式1中，P、L和α遵循本说明书中的描述。所述具有高比表面积的碳材料可以具有100m2/g～500m2/g的比表面积。所述具有高比表面积的碳材料可以包含选自由碳纳米管、石墨烯、炭黑和碳纤维构成的组中的至少一种。基于正极活性材料层的总重量，可以包含0.01重量％～30重量％的量的所述具有高比表面积的碳材料。所述电解液包含溶剂和锂盐，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫二次电池，其包含：/n正极；/n负极；/n隔膜；和/n电解液，/n其中所述正极包含硫碳复合物，所述硫碳复合物包含微孔碳材料和硫；并且/n所述正极具有0.45以上的由以下数学式1表示的SC因子值：/n[数学式1]/nSC因子＝α×L/P/n在数学式1中，/nP为所述正极中正极活性材料层的孔隙率(％)；/nL为所述正极中所述正极活性材料层的每单位面积的硫质量(mg/cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181122 KR 10-2018-0145531;20181213 KR 10-2018-011.一种锂硫二次电池，其包含：
正极；
负极；
隔膜；和
电解液，
其中所述正极包含硫碳复合物，所述硫碳复合物包含微孔碳材料和硫；并且
所述正极具有0.45以上的由以下数学式1表示的SC因子值：
[数学式1]
SC因子＝α×L/P
在数学式1中，
P为所述正极中正极活性材料层的孔隙率(％)；
L为所述正极中所述正极活性材料层的每单位面积的硫质量(mg/cm2)；并且
α为10(常数)。


2.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中所述微孔碳材料包含具有1nm～10nm的平均直径的孔隙。


3.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中所述微孔碳材料具有500m2/g～4500m2/g的比表面积。


4.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中所述微孔碳材料具有10％～90％的孔隙率。


5.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中所述微孔碳材料具有0.8cm3/g～5cm3/g的孔体积。


6.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中所述硫包含选自由无机硫；Li2Sn(n≥1)；二硫化物化合物；有机硫化合物；和碳硫聚合物构成的组中的至少一种。


7.根据权利要求1所述的锂硫二次电池，其中基于所述硫碳复合物的总重量，包含50重量％～90重量％的量的硫。


8.一种锂硫二次电池，其包含：
正极；
负极；
隔膜；和
电解液，
其中所述正极包含含有具有高比表面积的碳材料的导电添加剂；并且
所述正极具有0.45以上的由以下数学式1表示的SC因子值：
[数学式1]
SC因子＝α×L/P
在数学式1中，
P为所述正极中正极活性材料层的孔隙率(％)；
L为所述正极中所述正极活性材料层的每单位面积的硫质量(mg/cm2)；并且
α为10(常数)。


9.根据权利要求8所述的锂硫二次电池，其中所述具有高比表面积的碳材料具有100m2/g至500m2/g的比表面积。


10.根据权利要求8所述的锂硫二次电池，其中所述具有高比表面积的碳材料包含选自由碳纳米管、石墨烯、炭黑和碳纤维构成的组中的至少一种。


11.根据权利要求8所述的锂硫二次电池，其中所述具有高比表面积的碳材料是通过将碳纳米管和石墨烯以0:10～10:0的重量比混合而...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌勋，梁斗景，朴寅台，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR