锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池，所述锂硫电池用正极包含两种包含具有不同形状和性质的碳材料的硫碳复合物作为正极活性材料。根据本发明专利技术的锂硫电池用正极表现出低孔隙率和优异的表面均匀性，从而改善正极的电化学反应性和稳定性，由此使正极的容量的表现最大化，因此能够实现高容量、高能量密度和长寿命的锂硫电池。和长寿命的锂硫电池。和长寿命的锂硫电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池


[0001]本专利技术涉及锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池。
[0002]本申请基于2021年6月15日提交的韩国专利申请10
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2021
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0077210号要求优先权权益，其全部内容通过引用并入本文中。

技术介绍

[0003]随着锂二次电池的使用范围不仅扩展至便携电子装置和通信装置，还扩展至电动车辆(EV)和电力储存系统(ESS)，对用作它们的电源的高容量锂二次电池的需求正在增加。
[0004]各种锂二次电池中的锂硫电池是使用具有S
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S键(硫
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硫键)的硫系材料作为正极活性材料，并且使用锂金属、其中发生锂离子的嵌入/脱嵌的碳系材料、或者与锂形成合金的硅或锡作为负极活性材料的电池系统。
[0005]所具有的优点是，作为锂硫电池中正极活性材料的主要材料的硫原子量小，资源丰富，因此容易供给和接收，并且是便宜、无毒且环境友好的材料。
[0006]另外，锂硫电池的源自正极中锂离子和硫的转化反应(S8+16Li
+
+16e
‑
→
8Li2S)的理论放电容量为1,675mAh/g，并且当使用锂金属(理论容量：3,860mAh/g)作为负极时，理论能量密度为2,600Wh/kg。由于锂硫电池的理论能量密度远高于目前正在研究的其它电池系统的理论能量密度(Ni
‑
MH电池：450Wh/kg，Li
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FeS电池：480Wh/kg，Li
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MnO2电池：1,000Wh/kg，Na
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S电池：800Wh/kg)和锂二次电池的理论能量密度(250Wh/kg)，因此锂硫电池作为迄今为止开发的二次电池中的高容量、环境友好且低成本的锂二次电池而备受关注，并且是正在进行多项研究的下一代电池系统。
[0007]在该锂硫电池中，由于用作正极活性材料的硫的电导率为5
×
10
‑
30
S/cm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，硫通过与能够提供电化学反应位点的碳材料复合而作为硫碳复合物来使用。
[0008]然而，连同在锂硫电池的充放电过程期间产生的多硫化锂(Li2S
x
，x＝8、6、4、2)的溶出问题一起，还存在以下问题：由于作为正极活性材料的硫以及作为其放电产物的硫化锂(Li2S)的导电性低，因此作为正极活性材料的硫碳复合物的电化学反应性降低。
[0009]由此，锂硫电池在实际运行期间具有高初始放电容量，但随着循环的进行，容量和充放电效率特性迅速下降，相应地，能量密度和寿命特性也降低，所以难以确保充分的性能和运行稳定性，因此尚未商业化。
[0010]为了实现具有能够商业化的水平的能量密度和寿命特性的锂硫电池，已经提出了各种技术来改善正极的电化学反应性和稳定性，特别是作为正极活性材料的硫碳复合物。
[0011]作为实例，为了确保高能量密度和长寿命特性，已经作出了尝试，通过使用具有高比表面积和高孔隙率的碳材料如碳纳米管作为硫的载体来增加正极中的硫含量，同时控制多硫化锂的溶出。
[0012]然而，在如上所述使用具有高比表面积和高孔隙率的碳材料作为硫的载体的情况下，由于正极的孔隙率高并且表面的均匀性低，因此存在必须伴随使用压延过程以改善它
们的问题。另外，随着正极的厚度增加，传质受到抑制，并且正极的电化学反应性受到影响，最终，存在容量降低的问题。因此，仍需要开发能够改善正极的电化学反应性和稳定性，因此实现优异的性能和运行稳定性的锂硫电池。
[0013][现有技术文献][0014][专利文献][0015](专利文献1)韩国专利公开2016
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0037084号(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

[0016]技术问题
[0017]因此，本专利技术的专利技术人从多个角度进行了研究来解决以上问题，结果确认了，当将两种各自含有具有不同形状和比表面积的碳材料的硫碳复合物用作正极活性材料时，正极的孔隙率和表面均匀性得到改善，使得正极具有改善的电化学反应性和稳定性，由此完成了本专利技术。
[0018]因此，本专利技术的一个目的是提供具有优异的电化学反应性和稳定性的锂硫电池用正极。
[0019]另外，本专利技术的另一个目的是提供包含上述正极的锂硫电池。
[0020]技术方案
[0021]为了实现以上目的，本专利技术提供了一种锂硫电池用正极，其包含正极集电器和置于正极集电器的至少一个表面上的正极活性材料层，其中正极活性材料层包含含有第一碳材料和硫的第一硫碳复合物，以及含有第二碳材料和硫的第二硫碳复合物，其中第一碳材料和第二碳材料具有不同的形状，其中第一碳材料的比表面积为200m2/g至400m2/g，并且第二碳材料的比表面积为600m2/g至小于1000m2/g。
[0022]另外，本专利技术提供了一种锂硫电池，其包含如上所述的锂硫电池用正极。
[0023]有益效果
[0024]由于根据本专利技术的锂硫电池用正极包含两种各自含有具有不同形状和比表面积的碳材料的硫碳复合物作为正极活性材料，因此表现出优异的表面均匀性以及低孔隙率，并且改善了正极的电化学反应性和稳定性，由此使正极的容量表达最大化，因此实现了高容量和高能量密度的锂硫电池。
附图说明
[0025]图1为示出根据实施例1和比较例1的锂硫电池的容量特性的评价结果的图。
[0026]图2为示出根据实施例2和3以及比较例1的锂硫电池的容量特性的评价结果的图。
[0027]图3为示出根据比较例1和7的锂硫电池的容量特性的评价结果的图。
[0028]图4为示出根据比较例1和2的锂硫电池的容量特性的评价结果的图。
[0029]图5为示出根据比较例1和3的锂硫电池的容量特性的评价结果的图。
[0030]图6为示出根据实施例1和比较例1的锂硫电池的寿命特性的评价结果的图。
[0031]图7为示出根据实施例2和3以及比较例1的锂硫电池的寿命特性的评价结果的图。
[0032]图8为示出根据比较例1和4至6的锂硫电池的寿命特性的评价结果的图。
具体实施方式
[0033]在下文中，将更详细地描述本专利技术。
[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，其包含正极集电器和置于所述正极集电器的至少一个表面上的正极活性材料层，其中所述正极活性材料层包含含有第一碳材料和硫的第一硫碳复合物，以及含有第二碳材料和硫的第二硫碳复合物，所述第一碳材料和所述第二碳材料具有不同的形状，所述第一碳材料的比表面积为200m2/g至400m2/g，以及所述第二碳材料的比表面积为600m2/g至小于1000m2/g。2.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中所述第一碳材料的比表面积为200m2/g至300m2/g。3.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中所述第一碳材料的平均粒径(D
50
)为20μm至70μm。4.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中所述第二碳材料的比表面积为600m2/g至950m2/g。5.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中所述第一碳材料和所述第二碳材料各自包含选自由石墨、石墨烯、炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨和活性炭组成的组中的至少一种。6.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中所述硫包含选自如下中的至少一种：无机硫、Li2S
n
(n≥1)、二硫化合物、有机硫化合物和碳硫聚合物((C2S

【专利技术属性】
技术研发人员：康多暎，李昌勋，
申请(专利权)人：株式会社LG新能源，
类型：发明
国别省市：