[發明專利]金屬-硫電池正極，其制造方法以及包括其的金屬-硫電池

有效

• 申請號: 201880057481.6
• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN111052460B
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發明（設計）人: 宣良國;黃壯淵
• 申請（專利權）人: 漢陽大學校產學協力團
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/139;H01M4/1397;H01M4/04;H01M10/052
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 彭雪瑞;臧建明

提供一種金屬?硫電池正極，其制造方法以及包括該正極的金屬?硫電池。所述正極包括包含碳材料和含硫材料的正極活性材料層。在所述正極活性材料層中，分別配置有使所述含硫材料致密的區域和使所述碳材料致密的區域。通過提供呈現高硫利用率的正極，可以提供具有高容量和穩定的壽命特性的金屬?硫電池。

技術領域

本發明涉及金屬-硫電池，尤其涉及金屬-硫電池的正極。

背景技術

近來，隨著電子設備領域和電動車輛領域的快速發展，對二次電池的需求正在增加。特別地，隨著便攜式電子設備的小型化和輕量化的趨勢，對具有高能量密度的二次電池的需求不斷增長。

在二次電池中，鋰-硫電池使用具有硫-硫鍵的硫基化合物作為正極活性材料，并且使用可以嵌入和脫嵌鋰離子的碳基材料作為負極活性材料。在這種鋰-硫電池的正極中，在還原反應(放電)中，隨著硫與硫之間的鍵斷裂，硫的氧化數減少，并且在氧化反應(充電)中，隨著硫-硫鍵的形成，硫的氧化數增加。氧化還原反應用于存儲和產生電能。

這種鋰-硫電池具有每單位重量能量密度高的優點，并且在正極活性材料中使用的元素硫每單位重量能量密度高、成本低并且對人體沒有傷害。因此，作為未來市場上替代鋰二次電池的下一代二次電池，鋰-硫電池受到了廣泛的關注，并且有望在例如大規模儲能系統(Energy?Storage?System,ESS)和無人機市場中產生巨大的影響。

但是，鋰-硫電池存在如下問題：由于在電池工作時硫作為正極活性材料的利用率(即，參與電化學氧化反應的硫的比例)低，因此電池容量低。另外，因為硫(多硫化鋰)在電池工作時溶入電解質中，以及在某些情況下由于硫化鋰的析出，而縮短了鋰-硫電池的壽命。

另外，在鋰-硫電池中，作為正極活性材料的硫的電導率低，因此在鋰-硫電池初次充電或放電時難以形成作為鋰-硫電池的主要電化學反應介質的多硫化鋰。因此，在低溫下，存在電池特性明顯變差或電池不能工作的問題。

另一方面，用于制造電極的常規成型方法復雜并且可再現性差，特別是，由于對水分的敏感性，使用硫化鋰的電池研究在電極開發中具有很大的困難。

[專利文件]韓國專利公開號10-2006-0023470

發明內容

技術問題

本實施方式要解決的問題是提供一種具有高容量且穩定壽命特性的金屬-硫電池用正極的制造方法。另外，本實施方式提供了即使在諸如0℃-10℃的低溫下也可以工作的金屬-硫電池。

技術方案

解決上述技術問題的本發明的一個方面提供了一種鋰-硫電池正極。所述正極包括包含碳材料和含硫材料的正極活性材料層。在所述正極活性材料層中，分別配置有使所述含硫材料致密的區域和使所述碳材料致密的區域。

所述含硫材料可以是S₈、Li₂S、硫化聚合物或其兩種或更多種的混合物。例如，所述含硫材料可以是S₈和Li₂S的混合物。在所述正極活性材料層中，S₈的重量可以高于Li₂S的重量。

所述碳材料可以是石墨烯。所述正極活性材料層中的所述含硫材料的重量可以高于所述碳材料的重量。所述正極活性材料層可以包括60-90wt％的所述含硫材料和剩余wt％的碳材料。

在使所述含硫材料致密的區域中，納米尺寸的含硫材料顆粒可以聚集并且被所述碳材料包圍。所述含硫材料可以包含硫化鋰納米顆粒，并且一些所述硫化鋰納米顆粒可以是棒狀納米顆粒。所述含硫材料可以包含硫化鋰，并且所述硫化鋰具有正交晶相。

本發明的另一方面提供了一種金屬-硫電池的正極的制造方法。所述方法包括制備碳材料和含硫材料的混合物，并將所述混合物放入模具中加壓以形成正極活性材料層，所述正極活性材料層為自支撐膜。