[發明專利]電極材料、制造電極材料的方法以及二次電池

在審

• 申請號: 201380018146.2
• 申請日: 2013-07-19
• 公開（公告）號: CN104205431A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 武志一正;田畑誠一郎;飯田廣范;山之井俊;齊藤陽介;日隈弘一郎;山田心一郎
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;C01B31/02;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳孟秋;梁韜

技術領域

本公開主要涉及電極材料、制造電極材料的方法以及二次電池。

背景技術

一種鋰-硫二次電池已經被開發出來，其中硫單質被用作正極活性材料以及鋰(Li)被用作負極活性材料。鋰和硫的理論容量密度分別是大約3862mAh/g和大約1672mAh/g，被認為能夠獲得具有非常高能量密度的二次電池。但是，事實上：

(1)作為正極活性材料的硫的利用率很低，以及

(2)充放電循環特性差，這些是可能被提及的鋰-硫二次電池還沒有在現階段商用化的原因。作為鋰-硫二次電池特性的非常大的理論容量密度還沒有被完全利用。

至于上面描述的第(1)項的原因，考慮是以下原因。即，在放電時，鋰離子與S₈硫在正極反應，從而生成硫化物Li₂S_x。隨著該反應的進行，x的值從8變為4、2和1。當x的值是8、4和2時，Li₂S_x中產生溶解在電解液中的部。接著，反應繼續進行，當溶解的硫化物變成Li₂S(就是說，x＝1)，此硫化物不能溶解于電解液并析出，從而損壞電極。因此，在目前，硫化物可以被放電直到趨近x＝2(理論容量密度：836mAh/g)。

至于上述的第(2)項，認為原因是硫(例如，S₈硫)是具有電阻值為10^-30ohm/cm的絕緣材料以及多硫化物被洗脫在電解液中。此外，還有一個問題是在充電時，由于氧化還原往復反應(redox?shuttle?reaction)，沒有達到截止電壓并導致過充電狀態，在所述氧化還原往復反應中，被洗脫在電解液中的多硫化物在負極被還原，以生成具有更短硫鏈的多硫化物以及產生的多硫化物被移動到正極，從而被再次氧化。

引用文獻列表

專利文獻

PTL1：日本未經審查的專利申請公開No.2010-257689

非專利文獻

NPL?1：L.Nazar?et?al.，Nature?Materials，8，500，2009

NPL?2：M.Watanabe?et?al.，Chem.Commun.，47，8157-8159(2011)

發明內容

技術問題

作為一種解決上述問題的方法，可以列舉硫被插入到多孔碳材料的方法。因此，導電物質被允許存在于硫成分的附近，以及電子可以很容易移動。同時，硫可以被保持在多孔碳材料的空隙中，此外，硫和鋰離子在所述空隙中反應，從而可以防止所生成的硫化物從所述空隙流出到外面。一般來說，科琴黑(Ketjenblack)、炭黑以及乙炔黑被用作多孔碳材料，科琴黑是具有包括石墨烯層的中空結構的納米碳材料(例如參照PTL1)。至于其他的多孔材料，在現有技術中提出了硫被保持在棒狀納米碳的空隙中的體系(參照NPL1)以及硫被保持在反蛋白石碳(inverse?opal?carbon)中的系統(參照NPL2)。然而，建議的兼具導電性和最佳空隙(大小和體積)的多孔碳材料的數量很少，僅有很少的討論是關于最佳空隙。

期望提供可以改善活性材料的利用率并且用于獲得具有優異特性的二次電池的電極材料、用于制造所述電極材料的方法以及使用這類電極材料的二次電池。

問題的解決方案

根據本公開的第一實施方式的用于二次電池的電極材料由多孔碳材料制成，所述多孔碳材料表現出基于X射線衍射法的關于衍射角2θ為4度或更小的(100)面或(101)面的衍射強度峰的半寬度。在一個實施方式中，(100)面和(101)面的衍射強度峰重疊并且對于分離是不同的。因此，(100)面的衍射強度峰和(101)面的衍射強度峰如上所述地統一表述。這同樣適用于下面的說明。

根據本公開的第二實施方式的用于二次電池的電極材料由多孔碳材料制成，其中當對以質量比為1：2混合的多孔碳材料和S₈硫的混合物進行熱分析時獲得的、溫度用作參數的質量的微分值的絕對值(-dW/dt的絕對值)在450攝氏度呈現大于0的值以及在400攝氏度呈現1.9或更大的值。

根據本公開的第一實施方式的二次電池包括由多孔碳材料制成的電極，所述多孔碳材料表現出基于X射線衍射法的關于衍射角2θ的4度或更小的(100)面或(101)面的衍射強度峰的半寬度。