利用织物材料的锂硫电池正极、包含其的锂硫电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征子在于，包括：通过热处理使织物材料碳化来制备导电性支撑体的步骤；在上述导电性支撑体上电镀导电金属材料的步骤；在上述电镀的导电性支撑体装载包含上述硫高分子及由能够与上述硫高分子氢键结合的第一官能团改性的第一碳材料的步骤；以及在上述导电性支撑体装载能够与上述第一碳材料层状自组装的由第二官能团改性的第二碳材料来形成覆盖层的步骤。盖层的步骤。盖层的步骤。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用织物材料的锂硫电池正极、包含其的锂硫电池及其制备方法


[0001]本专利技术涉及利用织物材料的锂硫电池正极、包含其的锂硫电池及其制备方法，更详细地，涉及具有多的硫装载量、优秀的电特性的利用织物材料的锂硫电池正极、包含其的锂硫电池及其制备方法。

技术介绍

[0002]电极、催化剂、吸附剂、传感器等都具有在支撑体上含有金属等导电材料作为活性物质的结构。在此情况下，需要支撑体优秀的导电性、支撑体及导电活性物质的高的比表面积、便利的加工性等。
[0003]为此，利用直接使用碳纳米管、石墨烯等碳支撑体作为支撑体的电极及其制备方法。
[0004]例如，韩国公开专利第10
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2009
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0041637号公开了能够使碳纤维直径变小的聚酰亚胺碳纳米纤维电极，韩国公开专利第10
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2017
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0080159号公开了基于储能装置用碳纤维织物/金属氧化物类纳米线的电极及其制备方法。
[0005]然而，这些直接使用碳支撑体的方式需要制备碳基支撑体，为此需要额外制备碳基材料。
[0006]作为替代方案，正活跃地进行着使用织物材料作为支撑体的研究。例如，在用作电极的情况下，织物材料不仅可以基于高的气孔率和内部表面积来增加活性物质的装载(loading)量，还可以成为用于顺畅的粒子移动的有效的结构体。因此，对绝缘性的织物材料赋予导电性来制备多孔性电极，并将其应用为高性能储能器件的研究已有报告。
[0007]作为储能器件，锂硫电池因高的理论能量密度值而或作为新一代储能器件得到活跃的研究。然而，锂硫电池因作为正极物质的硫的低导电性、驱动中的体积膨胀以及由非可逆反应引起的硫的损失(shuttle effect)而具有驱动稳定性低的缺点。
[0008]为了克服上述缺点，正活跃地进行着将与硫具有物理/化学结合力的导电性材料与硫混合来电极化的研究，但在平板上进行的研究示出硫的装载量有限。
[0009]从这一点出发，为了克服集电体的活性物质装载量的增加引起的导电性及离子导电率的限制并实现单位体积/面积的高密度能量容量及输出特性，需要开发具有优秀的导电性和高的表面积的电极。
[0010]在制备多孔集电体方面，虽然织物材料不仅能够基于高的气孔率和内部表面积来增加活性物质的装载量，还是用于顺畅的离子移动的有效的结构体，但却具有绝缘的特性。因此，对绝缘性的织物材料赋予导电性来制备多孔性电极，并将其应用为高性能储能器件的研究已有报告。
[0011]然而，许多事例因如下原因而难以制备为用于高性能的储能器件的有效的多孔集电体，首先，虽然现有商用化的多孔性金属集电体具有高的导电性，但不仅在材料的轻量化上过重，而且气孔率和内部表面积受到限制。并且，因利用强酸的蚀刻过程和昂贵的成本使
电极的大量制备受到制约，在织物材料涂敷碳纳米管(CNT)或石墨烯等导电性碳材料的碳基多孔性电极则较金属材料不但导电性地，还具有电化学稳定性降低的缺点。
[0012]另一方面，在利用无电解电镀(electroless deposition)法来涂敷织物材料的情况下，不仅难以均匀地涂敷织物材料内部的原纤维结构，还因结块现象而难以有效利用多孔性结构的表面积。并且，由于在表面处理及还原过程中包含杂质，因此最终使电极的导电性及机械稳定性受到限制。
[0013]进而，在追加性地涂敷金属纳米粒子的情况下，由于有关粒子间界面处理的知识不足以及粒子间界面阻抗而难以赋予块体像金属一样的导电性，从而具有为了克服这个问题而追加的表面处理工序使整个电极制备的工序时间延长的缺点。

技术实现思路

[0014]技术问题
[0015]因此，本专利技术所要解决的技术问题在于，制备能够在使织物材料具有优秀的导电性、机械稳定性及高的比表面积的同时原样保持织物所具有的优秀的网络特性的多孔集电体，并且提供通过能够在基于此增加硫的装载量的同时使用导电性覆盖层(保护层)涂敷电极来提高作为锂硫电池正极的痼疾问题的低导电性和利用效率的锂硫电池正极的制备方法。
[0016]技术方案
[0017]为了解决上述问题，本专利技术提供一种制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征在于，包括：
[0018]通过热处理使织物材料碳化来制备导电性支撑体的步骤；
[0019]在上述导电性支撑体上电镀导电金属材料的步骤；在上述电镀的导电性支撑体装载包含上述硫高分子及由能够与上述硫高分子氢键结合的第一官能团改性的第一碳材料的浆料的步骤；
[0020]以及在上述导电性支撑体装载能够与上述第一碳材料层状自组装的由第二官能团改性的第二碳材料来形成覆盖层的步骤。
[0021]本专利技术一实例的特征在于，上述碳材料为碳纳米管，上述第一官能团为胺基，上述第二官能团为羧基。
[0022]本专利技术再一实例的特征在于，上述热处理在600℃至2000℃的范围内进行，通过上述热处理制备的上述碳支撑体原样保持上述织物材料的网络结构。
[0023]本专利技术另一实例的特征在于，上述导电材料包含选自由镍(Ni)、铜(Cu)、铝(Al)组成的组中的一种以上。
[0024]本专利技术还有一实例的特征在于，上述织物材料为在主链中含有碳原子的织物。
[0025]并且，本专利技术提供一种锂硫电池正极，包含：碳支撑体，具有织物材料的网络结构；导电金属材料，涂敷于上述碳支撑体上；硫高分子，装载于上述导电金属材料；第一碳材料，由与上述硫高分子结合的第一官能团改性；以及第二碳材料，与上述第一碳材料结合来形成覆盖层。
[0026]本专利技术一实例的特征在于，上述锂硫电池正极通过上述方法制备。
[0027]本专利技术再一实例的特征在于，上述碳材料为碳纳米管，上述第一官能团为胺基，上
述第二官能团为羧基。
[0028]本专利技术另一实例的特征在于，上述导电材料包含选自由Ni、Cu、Al组成的组中的一种以上。
[0029]同时，本专利技术还提供包含上述锂硫电池正极的锂硫电池。
[0030]专利技术的效果
[0031]根据本专利技术，可以在600℃水平的低温下热处理织物材料来制备具有优秀的导电性和高的多孔性的网络结构的碳支撑体后，通过简单的电镀方法涂敷金属活性物质来制备电/机械强度优秀且多孔性突出的多孔导电性结构体。尤其，根据本专利技术制备的电极体可以通过多孔性技术集电体的高表面积和优秀的电子传输特性来实现因硫装载量的增加带来的单位面积的高能量密度和快速的充放电速度，从而可以提高锂硫电池的能量密度和驱动稳定性。
[0032]并且，通过多壁(multi
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walled)碳纳米管(MWCNT)的表面改性来制备附有胺基(NH2)的MWCNT后，在没有绝缘性高分子粘合剂的情况下将其与硫高分子(S
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poly)制备混合浆料(HS)来装载于集电体内部。NH2‑
MWCNT提高S
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poly层的导电性，
‑
NH2基团本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征在于，包括：通过热处理使织物材料碳化来制备导电性支撑体的步骤；在上述导电性支撑体上电镀导电金属材料的步骤；在上述电镀的导电性支撑体装载包含上述硫高分子及由能够与上述硫高分子氢键结合的第一官能团改性的第一碳材料的浆料的步骤；以及在上述导电性支撑体装载能够与上述第一碳材料层状自组装的由第二官能团改性的第二碳材料来形成覆盖层的步骤。2.根据权利要求1所述的制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征在于，上述碳材料为碳纳米管，上述第一官能团为胺基，上述第二官能团为羧基。3.根据权利要求1所述的制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征在于，上述热处理在600℃至2000℃的范围内进行，通过上述热处理制备的上述碳支撑体原样保持上述织物材料的网络结构。4.根据权利要求1所述的制备利用织物材料的锂硫电池正极的方法，其特征在于，上述导电材料包含选自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵镇汉，申东烨，宋容权，
申请(专利权)人：高丽大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：