[發(fā)明專利]鋰硫電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880035323.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110679010B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金起炫;金秀炫;梁斗景;陳善美;李昌勛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社LG新能源
• 主分類(lèi)號(hào): H01M50/449
• 分類(lèi)號(hào): H01M50/449;H01M10/42;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M50/403;H01M10/052
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 王海川;陳海濤

本發(fā)明涉及一種包含隔膜的鋰硫電池，其中在所述隔膜中形成包含具有硝酰自由基位點(diǎn)的自由基化合物的吸附層，特別地涉及一種鋰硫電池，所述鋰硫電池通過(guò)在隔膜的至少一個(gè)表面上使用包含具有硝酰自由基位點(diǎn)的自由基化合物和導(dǎo)電材料的吸附層來(lái)抑制多硫化鋰的溶出。在根據(jù)本發(fā)明的鋰硫電池中，通過(guò)作為穩(wěn)定的自由基化合物的具有硝酰自由基位點(diǎn)的自由基化合物吸附從正極溶出的多硫化鋰，可以防止溶出和擴(kuò)散，并且除此之外，還提供導(dǎo)電性以提供正極活性材料的反應(yīng)位點(diǎn)，結(jié)果，提高了電池容量和壽命特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)要求于2017年6月20日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)10-2017-0077983號(hào)和于2018年5月3日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國(guó)專利申請(qǐng)10-2018-0051030號(hào)的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，并通過(guò)參考將其完整內(nèi)容并入本文中。

本發(fā)明涉及一種鋰硫電池，其中形成包含具有硝酰自由基官能團(tuán)的自由基化合物的吸附層，特別地，涉及一種鋰硫電池，所述鋰硫電池通過(guò)在隔膜的至少一個(gè)表面上使用包含具有硝酰自由基官能團(tuán)的自由基化合物的涂層而抑制多硫化鋰的擴(kuò)散。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品、電子裝置、通信裝置等快速地變得越來(lái)越小且越來(lái)越輕，并且考慮到環(huán)境問(wèn)題而迫切需要電動(dòng)車(chē)輛，對(duì)改進(jìn)用作這些產(chǎn)品的電源的二次電池的性能的需求大幅增加。其中，鋰二次電池由于其高能量密度和高標(biāo)準(zhǔn)電極電位而作為高性能電池受到了極大關(guān)注。

特別是，鋰硫(Li-S)電池是使用具有硫-硫(S-S)鍵的硫類(lèi)材料作為正極活性材料并且使用鋰金屬作為負(fù)極活性材料的二次電池。硫作為正極活性材料的主要材料具有資源非常豐富、沒(méi)有毒性以及具有低原子量的優(yōu)勢(shì)。此外，鋰硫電池具有每克硫1675mAh的理論放電容量和2600Wh/kg的理論能量密度，這與目前研究的其它電池系統(tǒng)的理論能量密度(Ni-MH電池：450Wh/kg；Li-FeS電池：480Wh/kg；Li-MnO₂電池：1000Wh/kg；Na-S電池：800Wh/kg)相比是非常高的，因此是迄今開(kāi)發(fā)的電池中最有希望的電池。

在鋰硫(Li-S)電池的放電反應(yīng)期間，在負(fù)極(陽(yáng)極)中發(fā)生鋰的氧化反應(yīng)，并且在正極(陰極)中發(fā)生硫的還原反應(yīng)。硫在放電之前具有環(huán)狀S₈結(jié)構(gòu)，并且利用氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存和產(chǎn)生電能，其中在還原反應(yīng)(放電)期間S的氧化數(shù)隨S-S鍵的斷裂而降低，并且在氧化反應(yīng)(充電)期間S的氧化數(shù)隨S-S鍵的再次形成而升高。在這種反應(yīng)期間，通過(guò)還原反應(yīng)將硫從環(huán)狀S₈轉(zhuǎn)化成線性結(jié)構(gòu)的多硫化鋰(Li₂S_x，x＝8、6、4和2)，結(jié)果，當(dāng)這樣的多硫化鋰被完全還原時(shí)最終產(chǎn)生硫化鋰(Li₂S)。通過(guò)還原成各種多硫化鋰的過(guò)程，鋰硫(Li-S)電池的放電行為顯示出與鋰離子電池不同的階段性的放電電壓。

在諸如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂的多硫化鋰中，特別是具有高的硫氧化數(shù)的多硫化鋰(Li₂S_x，通常x4)容易溶解在親水性電解液中。溶解在電解液中的多硫化鋰由于濃度差而從生成了多硫化鋰的正極向遠(yuǎn)側(cè)擴(kuò)散。如上所述從正極溶出的多硫化鋰被沖到正極反應(yīng)區(qū)域之外，使得不能逐漸還原成硫化鋰(Li₂S)。換句話說(shuō)，在正極和負(fù)極外部以溶解狀態(tài)存在的多硫化鋰不能參與電池的充放電反應(yīng)，因此參與正極中的電化學(xué)反應(yīng)的硫物質(zhì)的量減少，結(jié)果，這成為引起鋰硫電池的充電容量降低和能量減少的主要因素。

此外，除了漂浮在或浸入電解液中的多硫化鋰之外，擴(kuò)散到負(fù)極的多硫化鋰直接與鋰反應(yīng)并以Li₂S的形式固定在負(fù)極表面上，這導(dǎo)致腐蝕鋰金屬負(fù)極的問(wèn)題。

為了使這樣的多硫化鋰的溶出最小化，一直在對(duì)改變用硫粒子填充各種碳結(jié)構(gòu)的正極復(fù)合體的形態(tài)進(jìn)行研究，然而，這樣的方法在制備時(shí)是復(fù)雜的并且沒(méi)有解決根本問(wèn)題。