锂硫二次电池用正极和包含其的锂硫二次电池制造技术

本发明专利技术提供了一种锂硫二次电池用正极，所述锂硫二次电池用正极包含正极活性材料、导电材料、粘合剂和多价金属盐。所述多价金属盐包含选自如下中的金属的阳离子：第3周期和第4周期中的最外层电子的有效核电荷数为3至6的金属。所述锂硫二次电池用正极能够通过引入多价金属盐来改善锂硫二次电池的性能，因此在应用于电池时有效地抑制多硫化锂的溶出，同时不显著增加电极的重量且不显著降低电极的导电性。著增加电极的重量且不显著降低电极的导电性。著增加电极的重量且不显著降低电极的导电性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫二次电池用正极和包含其的锂硫二次电池


[0001]本专利技术涉及一种锂硫二次电池用正极和一种包含其的锂硫二次电池。具体来说，本专利技术涉及一种包含多价金属盐的锂硫二次电池用正极和包含所述锂硫二次电池用正极的锂硫二次电池。
[0002]本申请要求于2020年10月22日提交的韩国专利申请第10
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2020
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0137322号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]随着二次电池的应用领域扩展到电动车辆(EV)或储能装置(ESS)，相对于重量的储能密度相对较低(约250Wh/kg)的锂离子二次电池在此类产品中的应用正面临着诸多限制。替代地，因为锂硫二次电池能够实现理论上高的相对于重量的储能密度(约2,600Wh/kg)，因此锂硫二次电池作为下一代二次电池技术而备受关注。
[0004]锂硫二次电池意指使用具有S
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S键(硫
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硫键)的硫类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。作为正极活性材料的主要材料的硫的优点在于它的资源非常丰富、无毒且原子量低。
[0005]在锂硫二次电池中，当对电池进行放电时，作为负极活性材料的锂在释放电子的同时被氧化而由此离子化，作为正极活性材料的硫类材料在接受电子的同时被还原。在该情况下，锂氧化反应是锂金属释放电子并转化成锂阳离子形式的过程。另外，硫还原反应是S
‑
S键接受两个电子并转化成硫阴离子形式的过程。通过锂氧化反应产生的锂阳离子通过电解质转移到正极，并与通过硫还原反应产生的硫阴离子组合而形成盐。具体来说，硫在放电之前具有环状S8结构，该环状S8结构通过还原反应被转化成多硫化锂(LiS
x
)。当多硫化锂被完全还原时，产生了硫化锂(Li2S)。
[0006]锂硫二次电池可能存在硫的导电性低、多硫化锂在充电/放电期间发生溶出和体积膨胀以及库仑效率低，因此随着充电/放电的进行而发生容量急速下降的问题，所以必须解决这些问题以改善电池性能。
[0007]多孔碳材料广泛用于锂硫二次电池中，以发挥通过与作为锂硫二次电池活性材料的硫复合而赋予导电性的作用。正在不断地进行通过控制形成在这些多孔碳材料内部的孔的尺寸和体积来改善电池性能的研究。其中，在金属
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有机骨架(MOF)的情况下，存在的优点在于，能够通过根据构成MOF的有机分子或金属原子的类型而形成不同尺寸的孔来合成具有1000至4000m2/g的高比表面积的多孔碳材料。然而，在将现有MOF材料碳化并将它应用于锂硫二次电池的技术的情况下，虽然能够在一定程度上改善多硫化锂的溶出问题，但可能存在由于额外使用了低导电性的MOF材料而增加了电极的整体重量并降低了电极的导电性的问题。此外，上述技术需要复杂的制备工序。
[0008]因此，在相关
中正不断进行改善锂硫二次电池的性能的研究。
[0009][现有技术文献][0010][专利文献][0011](非专利文献1)Jianming Zheng等人，锂硫电池中的多硫化物与金属有机骨架之间的路易斯酸碱相互作用(Lewis Acid
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Base Interactions between Polysulfides and Metal Organic Framework in Lithium Sulfur Batteries),《纳米快报》(Nano Lett.)2014,14,2345
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2352
[0012](非专利文献2)Junwen Zhou等人，快速长循环寿命锂硫电池中的储硫用金属有机骨架主体的合理设计(Rational Design of aMetal
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Organic Framework Host for Sulfur Storage in Fast,Long
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Cycle Li
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S Batteries),《能源与环境科学》(Energy Environ.Sci.),2014,7,2715

技术实现思路

[0013]技术问题
[0014]为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种锂硫二次电池用正极，通过在所述正极中引入多价金属盐，所述正极能够改善电池的循环性能。
[0015]技术方案
[0016]根据本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种锂硫二次电池用正极，所述锂硫二次电池用正极包含正极活性材料、导电材料、粘合剂和多价金属盐。
[0017]在本专利技术的一个实施方案中，所述多价金属盐包含选自如下中的金属的阳离子：第3周期和第4周期中的最外层电子的有效核电荷数为3至6的金属。
[0018]在本专利技术的一个实施方案中，所述多价金属盐包含选自Mg
2+
和Al
3+
中的阳离子以及选自OH
‑
、CO
32
‑
、NO3‑
和SO
42
‑
中的阴离子。
[0019]在本专利技术的一个实施方案中，所述粘合剂是具有含氧或氮的官能团的聚合物。
[0020]在本专利技术的一个实施方案中，所述粘合剂选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈以及以上材料的组合。
[0021]在本专利技术的一个实施方案中，基于所述粘合剂的聚合物单体的摩尔数，所述多价金属盐的含量是30摩尔％至100摩尔％。
[0022]在本专利技术的一个实施方案中，所述正极活性材料选自元素硫(S8)、硫碳复合材料、硫类化合物以及以上材料的组合。
[0023]在本专利技术的一个实施方案中，基于正极活性材料的总重量，所述粘合剂的含量为5重量％至20重量％。
[0024]在本专利技术的一个实施方案中，所述导电材料选自石墨、炭黑、导电纤维、金属粉末、氟化碳、导电晶须、导电金属氧化物、聚亚苯基衍生物以及以上材料的组合。
[0025]在本专利技术的一个实施方案中，基于正极活性材料的总重量，所述导电材料的含量是5重量％至20重量％。
[0026]在本专利技术的一个实施方案中，在所述正极的情况下，所述多价金属盐以水溶液被添加，然后被干燥并引入。
[0027]在本专利技术的一个实施方案中，水溶液状态的所述多价金属盐在对正极活性材料、导电材料和粘合剂的混合物进行干燥之前被添加，或在干燥之后被涂布。
[0028]根据本专利技术的第二方面，提供了一种包括上述正极的锂硫二次电池。
[0029]有益效果
[0030]根据本专利技术的锂硫二次电池用正极能够通过简单地引入多价金属盐来改善锂硫二次电池的性能，因此在应用于电池时有效地抑制多硫化锂的溶出，同时不显著增加电极的重量且不显著降低电极的导电性。
附图说明
[0031]图1是示出了根据实验例1的硫碳复合材料的热重分析结果的图。
[0032]图2是示出了根据实验例2的固定有多价金属离子的聚丙烯酸粘合剂的热重分析结果的图。
[0033]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】1.一种锂硫二次电池用正极，所述锂硫二次电池用正极包含正极活性材料、导电材料、粘合剂和多价金属盐。2.根据权利要求1所述的锂硫二次电池用正极，其中，所述多价金属盐包含选自如下中的金属的阳离子：第3周期和第4周期中的最外层电子的有效核电荷数为3至6的金属。3.根据权利要求1所述的锂硫二次电池用正极，其中，所述多价金属盐包含选自Mg
2+
和Al
3+
中的阳离子以及选自OH
‑
、CO
32
‑
、NO3‑
和SO
42
‑
中的阴离子。4.根据权利要求1所述的锂硫二次电池用正极，其中，所述粘合剂是具有含氧或氮的官能团的聚合物。5.根据权利要求4所述的锂硫二次电池用正极，其中，所述粘合剂选自聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚丙烯腈以及以上材料的组合。6.根据权利要求4所述的锂硫二次电池用正极，其中，基于所述粘合剂的聚合物单体的摩尔数，所述多价金属盐的含量是30摩尔％至100摩尔％。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪京植，严光燮，宋河容，申东析，孙权男，金伦耕，李承敏，
申请(专利权)人：光州科学技术院，
类型：发明
国别省市：