锂硫电池用正极活性材料、其制备方法以及包含其的锂硫电池技术

本发明专利技术涉及一种锂硫电池用正极活性材料、其制备方法以及包含其的锂硫电池，更特别地，涉及一种包含核

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫电池用正极活性材料、其制备方法以及包含其的锂硫电池


[0001]本申请要求基于2020年8月11日提交的韩国专利申请第10
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2020
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0100684号的优先权权益，通过引用将其全部内容以其完整的形式并入本文中。
[0002]本专利技术涉及一种锂硫电池用正极活性材料、其制备方法和包含其的锂硫电池。

技术介绍

[0003]随着锂二次电池的使用范围不仅扩展到便携式电子装置和通信装置，还扩展到电动车辆(EV)和电力存储系统(ESS)，对用作它们的电源的锂二次电池的高容量的需求一直在增长。
[0004]在各种锂二次电池中，锂硫电池是使用具有硫
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硫键(S
‑
S键)的硫基材料作为正极活性材料，并使用如下物质作为负极活性材料的电池系统：锂金属、在其中发生锂离子的嵌入/脱嵌的碳基材料或与锂形成合金的硅或锡。
[0005]优点是，作为锂硫电池中正极活性材料的主要材料的硫的原子量低，资源非常丰富并因此易于供应和接收，并且价格便宜，无毒且环境友好。
[0006]另外，锂硫电池具有来源于正极中锂离子与硫的转化反应(S8+16Li
+
+16e
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→
8Li2S)的1675mAh/g的理论容量，并且在将锂金属(理论容量：3860mAh/g)用作负极时，理论能量密度为2600Wh/kg。因为锂硫电池的能量密度远高于目前正在研究的其它电池系统(Ni
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MH电池：450Wh/kg；Li
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FeS电池：480Wh/kg；Li
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MnO2电池：1000Wh/kg；Na
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S电池：800Wh/kg)和锂二次电池(250Wh/kg)的理论能量密度，所以锂硫电池作为迄今为止开发的二次电池中容量高、环境友好且成本低的锂二次电池备受关注，并且是正在进行多项研究的下一代电池系统。
[0007]在锂硫电池的情况下，当对它放电时，分别在正极进行硫接受电子的还原反应并且在负极进行锂被离子化的氧化反应。
[0008]在这种锂硫电池中，因为用于正极活性材料中的硫的导电率为5
×
10
‑
30
S/cm并因此是不具有导电性的非导体，所以存在难以移动由电化学反应产生的电子的问题。因此，将硫与能够提供电化学反应位点的诸如碳的导电材料复合并加以使用。然而，在这种情况下，因为在正极活性材料中一起包含其它导电材料，所以存在正极的电化学反应性不足并因此整个电池的能量密度降低的问题。
[0009]另外，在锂硫电池放电过程中，在正极产生多硫化锂(Li2S
x
，x＝2至8)，并且一部分多硫化锂易于溶解在电解质中，导致硫从正极溶出，由此加速正极电化学反应性的降低，从而正极的可逆容量大大降低，而且溶解的多硫化锂扩散到负极，引起各种副反应。另外，在充电过程期间，多硫化锂会引起穿梭反应，从而明显降低充电/放电效率。
[0010]由于上述问题，锂硫电池在实际运行期间具有高的初始容量，但是随着循环的进行，容量和充电/放电效率特性迅速下降，因此寿命也会缩短。因此，难以保证足够的性能和运行稳定性，从而尚未商业化。
[0011]因此，已经提出了多种技术来弥补锂硫电池中硫的低导电性并解决多硫化锂的溶出问题。
[0012]例如，韩国专利公开号2017
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0139761公开，通过并入包含氮掺杂的碳材料的正极活性材料层和保护层，能够延迟多硫化锂的溶出，由此改善电池的容量和寿命。
[0013]另外，韩国专利公开号2016
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0046775公开，电池的循环特性可以通过如下改善：在包含硫
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碳复合材料的正极活性部的一部分的表面上提供由两亲聚合物制成的正极涂层，从而抑制多硫化锂的溶出并促进锂离子的运动。
[0014]另外，韩国专利公开号2016
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0037084公开，通过在含硫的碳纳米管聚集体上涂布石墨烯，能够防止多硫化锂的溶解，并且能够改善硫
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碳纳米管复合材料的导电性和硫的负载量。
[0015]这些公开的专利通过向正极以添加剂或涂层的形式引入具有优异的多硫化锂吸附能力或导电性的材料而防止多硫化锂的溶出并改善硫的导电性，并因此在一定程度上改善了锂硫电池的性能或寿命劣化的问题，但效果并不充分。另外，这些专利中提出的方法不仅有些复杂，而且存在能够添加的硫的量(即负载量)有限的问题。因此，仍然需要开发一种在提高正极中硫的负载量的同时，展示改善的电化学反应性并因此具有优异的性能的锂硫电池。
[0016][现有技术文献][0017][专利文献][0018]韩国专利公开号10
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2017
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0139761(2017年12月20日)，具有含有氮掺杂碳的正极活性材料层和保护膜的金属硫电池用正极(Cathode for metal
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sulfur battery having cathode active material layer containing N
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doped carbon and protective film)
[0019]韩国专利公开号10
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2016
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0046775(2016年4月29日)，锂硫电池用正极及其制备方法(Cathode for lithium
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sulfur battery and method of preparing the same)
[0020]韩国专利公开号10
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2016
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0037084(2016年4月5日)，硫
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碳纳米管复合物、其制备方法、包含其的锂硫电池用正极活性材料和包含其的锂硫电池(Surfur
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carbonnanotube complex,method of preparing the same,cathode active material for lithium
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sulfur battery including the same and lithium
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sulfur battery including the same)

技术实现思路

[0021]技术问题
[0022]因此，作为为了解决上述问题而进行各种研究的结果，本专利技术的专利技术人已经确认，当含有硫化合物的正极活性材料的表面涂布有表现出电子传导性和离子传导性两者的特定聚合物时，改善了硫化合物与正极的电化学反应性，并抑制了多硫化锂的溶出，从而能够改善锂硫电池的容量和寿命特性，从而完成了本专利技术。
[0023]因此，本专利技术的一个目的是提供一种锂硫电池用正极活性材料及其制备方法，所述锂硫电池用正极活性材料能够抑制多硫化锂的溶出并且具有优异的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂硫电池用正极活性材料，所述锂硫电池用正极活性材料包含具有核
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壳结构的粒子状结构体，其中所述粒子状结构体包含核部和覆盖所述核部的整个表面或部分表面的壳部，以及其中所述核部包含硫化合物，所述壳部包含聚噻吩乙酸
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聚乙二醇接枝共聚物。2.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述聚噻吩乙酸
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聚乙二醇接枝共聚物具有其中聚噻吩乙酸聚合物通过聚乙二醇相互交联的结构。3.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述聚噻吩乙酸
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聚乙二醇接枝共聚物为具有下式1的结构的化合物：[式1]其中n各自独立地为0至1的有理数。4.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述聚噻吩乙酸
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聚乙二醇接枝共聚物具有10000至30000的重均分子量。5.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述硫化合物包括选自如下中的至少一种：无机硫、Li2S
n
(n≥1)、二硫化物化合物、有机硫化合物和碳
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硫聚合物((C2S
x
)
n
，其中x为2.5至50，n≥2)。6.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其中在所述核部中的所述硫化合物以硫
‑
碳复合材料的形式被包含。7.根据权利要求6所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述硫
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碳复合材料含有：多孔碳材料，和在所述多孔碳材料的内表面和外表面中的至少一部分中所含的所述硫化合物。8.根据权利要求7所述的锂硫电池用正极活性材料，其中所述多孔碳材料包括选自如下中的至少一种：石墨、石墨烯、炭黑、碳纳米管、碳纤维和活性炭。9.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极活性材料，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：金秀炫，李钟赞，金起炫，孙权男，郑道恩，宫灿荣，
申请(专利权)人：首尔大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：