锂二次电池制造技术

本发明专利技术涉及一种锂二次电池。更具体来说，在锂二次电池中，通过特定地调节包含硫碳复合物的正极活性材料层的孔隙率(％)和每单位面积的硫质量(mg/cm2)，初始电池放电容量得以改善，由此可以实现高能量密度。由此可以实现高能量密度。由此可以实现高能量密度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂二次电池


[0001]本申请要求于2019年1月16日提交的韩国专利申请第10
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2019
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0005836号、于2019年3月15日提交的韩国专利申请第10
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2019
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0029622号、于2020年1月16日提交的韩国专利申请第10
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2020
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0005813号以及于2020年1月16日提交的韩国专利申请第10
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2020
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0005869号的优先权和权益，所述韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。
[0002]本专利技术涉及一种锂二次电池。

技术介绍

[0003]随着二次电池的应用领域扩展到电动汽车(EV)、能量存储系统(ESS)等，具有相对较低的以重量计的比能量存储密度(～250Wh/kg)的锂离子二次电池在应用于此类产品时受到限制。另一方面，锂硫二次电池在理论上能够实现高的以重量计的比能量存储密度(～2600Wh/kg)，因此已作为下一代二次电池技术受到关注。
[0004]锂硫二次电池是使用具有硫
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硫键的硫基材料作为正极活性材料并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资源非常丰富，无毒且原子量低。
[0005]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被离子化的同时被氧化，并且作为正极活性材料的硫基材料通过接收电子而被还原。在此，锂的氧化反应是锂金属释放电子并转变成锂阳离子形式的过程。另外，硫的还原反应是其中硫
‑
硫键接收两个电子并变为硫阴离子形式的过程。通过锂的氧化反应产生的锂阳离子通过电解质转移至正极，并通过与经由硫的还原反应产生的硫阴离子键合而形成盐。具体来说，放电前的硫具有环状S8结构，并且其通过还原反应而变为多硫化锂(Li2S
x
，x＝8、6、4、2)，并且当这种多硫化锂被充分还原时，最终产生硫化锂(Li2S)。
[0006]由于作为正极活性材料的硫的低电导率，因此以固态的形式难以确保与电子和锂离子的反应性。为了提高硫的这种反应性，现有的锂硫二次电池以Li2S
x
形式产生中间体多硫化物，从而引起液态反应并提高反应性。在此，将对多硫化锂具有高溶解性的醚类溶剂如二氧戊环或二甲氧基乙烷用作电解液的溶剂。另外，现有的锂硫二次电池构建了阴极液型锂硫二次电池系统以提高反应性，并且在这种情况下，由于多硫化锂的容易溶解在电解液中的性质，硫反应性和寿命特性受到电解液含量的影响。另外，需要注入低含量的电解液以构建高能量密度，然而，随着电解液减少，电解液中的多硫化锂浓度增加，由于活性材料迁移率的降低和副反应的增加而使得正常电池驱动变得困难。
[0007]这样的多硫化锂溶出不利地影响电池容量和寿命特性，并且已经提出了多种抑制多硫化锂溶出的技术。
[0008]作为一例，韩国专利申请公开第2016
‑
0037084号公开了使用具有涂布有石墨烯的三维结构的碳纳米管聚集体作为碳材料可以防止多硫化锂溶出，并提高硫碳纳米管复合物的导电性。
[0009]另外，韩国专利第1379716号公开了，通过使用含硫的石墨烯复合物作为正极活性
材料，多硫化锂的溶出受到抑制，并且因此可以使电池容量的降低最小化，所述复合物是通过以下方法制备的：用氢氟酸处理石墨烯以在石墨烯表面上形成孔隙，并在孔隙中生长硫粒子。
[0010]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溶出而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，效果并不充分。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体系，并且本领域中一直在进行这种电池体系的研究。
[0011][现有技术文献][0012][专利文献][0013](专利文献1)韩国专利申请公开第2016
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0037084号(2016.04.05)
[0014](专利文献2)韩国专利第1379716号(2014.03.25)
[0015](专利文献3)韩国专利申请公开第2018
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0017654号(2018.02.21)
[0016][非专利文献][0017](非专利文献1)Abbas Fotouhi等,(锂硫电池技术准备与应用
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综述)Lithium
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Sulfur Battery Technology Readiness and Applications―A Review,Energies 2017,10,1937。

技术实现思路

[0018]【技术问题】
[0019]作为鉴于上述情况进行的广泛研究的结果，本专利技术的专利技术人已确认了，通过特定地调节包含硫碳复合物的正极活性材料层的孔隙率(％)和每单位面积的硫质量(mg/cm2)(SC因子和ED因子)，可以获得具有高能量密度的锂二次电池，并且完成了本专利技术。
[0020]另外，本专利技术的专利技术人已确认了，当在特定调节正极活性材料层的孔隙率(％)和每单位面积的硫质量(mg/cm2)(SC因子和ED因子)的构造的同时，使用包含其中碳材料的比表面积与传导率的关系满足特定条件(AC因子)的硫碳复合物的正极活性材料层时，可以获得具有优异的初始放电容量并具有高能量密度的锂硫二次电池，并且完成了本专利技术。
[0021]另外，本专利技术的专利技术人已确认了，通过在特定调节正极活性材料层的孔隙率(％)和每单位面积的硫质量(mg/cm2)(SC因子和ED因子)的构造的同时使用包含由具有纳米粒子形状的点型碳材料制备的硫碳复合物的正极和包含具有高偶极矩和低粘度的溶剂的电解液(DV2因子)，锂二次电池表现出高能量密度。
[0022]因此，本专利技术的一个方面提供一种具有优异的初始放电容量并且还具有优异的能量密度的锂二次电池。
[0023]【技术方案】
[0024]根据本专利技术的一个方面，提供一种锂二次电池，所述锂二次电池包含正极；负极；隔膜；和电解液，
[0025]其中，由以下数学式1表示的ED因子值为850以上：
[0026][数学式1][0027][0028]在数学式1中，V为Li/Li
+
的放电标称电压(V)，D为电解液的密度(g/cm3)，C为当以0.1C倍率放电时的放电容量(mAh/g)，并且由以下数学式2表示的SC因子为0.45以上：
[0029][数学式2][0030][0031]在数学式2中，P为正极中的正极活性材料层的孔隙率(％)，L为正极中的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)。
[0032]在本专利技术的一个实施方式中，所述正极包含硫碳复合物，所述硫碳复合物包含满足由以下数学式3表示的AC因子为100以上的条件的碳材料：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂二次电池，所述锂二次电池包含：正极；负极；隔膜；和电解液，其中由以下数学式1表示的ED因子值为850以上：[数学式1]在数学式1中，V为Li/Li
+
的放电标称电压(V)，D为所述电解液的密度(g/cm3)，C为当以0.1C倍率放电时的放电容量(mAh/g)，并且由以下数学式2表示的SC因子为0.45以上：[数学式2]在数学式2中，P为所述正极中的正极活性材料层的孔隙率(％)，L为所述正极中的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.如权利要求1所述的锂二次电池，其中所述正极包含硫碳复合物，所述硫碳复合物包含满足由以下数学式3表示的AC因子为100以上的条件的碳材料：[数学式3]AC因子＝0.1
×
比面积(m2/g)+2
×
传导率(S/cm，在2000kgf下)在数学式3中，比面积为所述碳材料的比表面积，并且传导率为通过将在对所述碳材料施加2000kgf的压力时测量的粉末电阻值转换成传导率而获得的电导率。3.如权利要求2所述的锂二次电池，其中所述碳材料的比表面积为100m2/g～4500m2/g。4.如权利要求2所述的锂二次电池，其中所述碳材料的孔体积为0.8cm3/g～5cm3/g。5.如权利要求2所述的锂二次电池，其中通过将在对所述碳材料施加2000kgf的压力时测量的粉末电阻值转换为传导率而获得的电导率为10S/cm～100S/cm。6.如权利要求2所述的锂二次电池，其中所述碳材料包含选自由石墨、碳纳米管、石墨烯、无定形碳、炭黑和活性炭构成的组中的一种以上。7.如权利要求1所述的锂二次电池，其中所述正极包含点型碳材料。8.如权利要求7所述的锂二次电池，其中所述点型碳材料包含选自由炭黑、科琴黑、DENKA炭黑、乙炔黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑和热裂法炭黑构成的组中的一种以上。9.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恩京，朴寅台，宋明俊，金日土，赵贤雅，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：