[發明專利]用于鋰硫電池的正極及其制備方法

在審

• 申請號: 201410042458.3
• 申請日: 2014-01-28
• 公開（公告）號: CN104600257A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 金元根;李允智;李俊基
• 申請（專利權）人: 現代自動車株式會社
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;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: 余剛;張英

技術領域

本發明涉及一種用于鋰硫電池的正極（陰極，cathode）及其制備方法，并且更具體地，涉及一種通過使用其中溶解另外的活性物質的電解質而具有單位重量（per?weight）最大化的能量密度的鋰硫電池。

背景技術

隨著便攜式電子裝置的技術的進步，對于輕型和高容量電池的需求已經增長。作為滿足該需求的二次電池，已經開發使用基于硫的材料作為正極活性物質的鋰硫電池。

該鋰硫電池是二次電池，其使用（1）具有S-S鍵（硫-硫鍵）的基于硫的材料作為正極活性物質以及（2）其中發生諸如鋰的堿金屬或者諸如鋰離子的金屬離子的嵌入或者脫嵌的基于碳的材料作為負極活性物質。在還原反應的過程中（在放電時），S-S鍵斷裂并且S的氧化值降低。在氧化反應的過程中（在充電時），S的氧化值增加并且再次形成S-S鍵。通過使用這種氧化-還原反應，鋰硫電池產生并存儲電能。

如果使用鋰金屬作為負極活性物質，則鋰硫電池的能量密度為3830mAh/g；而如果使用硫（S₈）作為正極活性物質，則鋰硫電池的能量密度為1675mAh/g。因此，就目前為止開發的電池中的能量密度而言，鋰硫電池是最有希望的電池。此外，因為用作正極活性物質的基于硫的材料是廉價且對生態環境友好的材料，所以鋰硫電池具有優勢。

然而，鋰硫電池系統在商業化方面具有限制性。如果使用硫作為活性物質，則電池中硫的有效性（意味著參與電化學氧化-還原反應的硫的量）相對于硫輸入的量較低。不同于理論值，實際上該電池的電池容量非常低。此外，在氧化-還原反應時，硫泄漏到電解質中，由此減少了電池壽命。如果不選擇適當的電解質，則作為硫還原物質的硫化鋰（Li₂S）析出并且此后硫不能參與電化學反應。此外，當將具有非常高反應性的鋰金屬用作負極活性物質時，除非選擇不與鋰金屬反應的適當的電解質，否則在充電/放電時產生鋰金屬的枝晶。這可能造成循環壽命特性的劣化。

已經做出許多嘗試以解決低于理論充電/放電容量的問題。例如，已經制造了不允許產生枝晶的結構，并且已經制造了具有不導致硫泄漏的組成的電解質。然而，在表示與實際需求水平同樣穩定并同樣高的充電/放電容量方面存在限制。

關于鋰硫電池尤其是正極結構，存在諸如在以下文獻中描述的那些的常規設計。

EP專利第1,149,428號描述了電流產生電池，其包括包含含硫正極活性物質的正極、負極、固體多孔隔膜、以及由諸如Li₂S_x（x是1至20的整數）等的鋰鹽和諸如二甲醚等的醚溶劑形成的非水電解質。

WO公開第2001-0035475號描述了一次電化學電池，其包括鋰負極、由含硫材料形成的正極、壓升電抗元件（voltage?rise?reactive?element）、以及由諸如醚等的非水電解質溶劑和諸如Li₂S_x（x是1至20的整數）的鋰鹽形成的非水電解質。

韓國專利申請公開第2007-0085575號描述了用于鋰硫電池的電解質，該用于鋰硫電池的電解質包括溶解于諸如二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)（二甘醇二甲醚(2-二乙二醇二甲醚)）、1,3-二氧戊環等的中性溶劑中的一種或多種電解質鹽以及諸如Li₂Sn等的添加劑。還描述了由包括含鋰材料的負極和包括含硫材料的正極組成的鋰硫電池。

C.Barchasz等人的Anal.Chem.2012,84,3973描述了由在0.01M的低濃度的Li₂S_x制造的產品。研究了通過其形成的鋰硫電池的操作/反應機理并且分析了色譜法和UV吸收波長的結果。

發明內容

本發明提供了一種具有單位重量的最大化能量密度的鋰硫電池。特別地，通過將另外的活性物質溶解于電池的電解質中而不是僅僅增加作為電池的正極的硫的負載量的常規方法來為該鋰硫電池提供最大的能量密度。

根據一個方面，本發明提供一種用于鋰硫電池的正極，該用于鋰硫電池的正極包括含硫活性物質、其中鋰鹽溶解于醚類溶劑（基于醚的溶劑，ether-based?solvent）中的電解質、以及溶解于電解質中的以Li₂S_x（0<x≤9）形式的另外的液體活性物質。根據另一個方面，本發明提供一種使用在此描述的正極的鋰硫電池。