[發明專利]硫碳復合物、其制備方法和包含其的鋰二次電池

有效

• 申請號: 201880057563.0
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN111095622B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 金義泰;韓承勛;孫權男;梁斗景
• 申請（專利權）人: 株式會社LG新能源
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 王海川;陳海濤

本發明涉及一種硫碳復合物，其包含：多孔碳材料和涂布在所述多孔碳材料的內部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳復合物的孔體積為0.04cm³/g～0.400cm³/g并且所述硫碳復合物的比表面積為4.0m²/g～30m²/g；以及所述硫碳復合物的制備方法。

技術領域

本申請要求于2017年11月16日提交的韓國專利申請號10-2017-0153249和2018年2月23日提交的韓國專利申請號10-2018-0022217以及2018年11月15日提交的韓國專利申請號10-2018-0140659的優先權的權益，這些韓國專利申請的全部內容以引用的方式并入本文中。

本發明涉及硫碳復合物、其制備方法和包含其的鋰二次電池。

背景技術

近年來，對能量儲存技術的關注越來越高。隨著其應用領域擴展到用于移動電話、便攜式攝像機、筆記本電腦、甚至是電動車輛的能源，正在越來越具體地進行對電化學裝置的研究和開發。

在這方面，電化學裝置是最值得關注的領域，并且其中能夠充電/放電的二次電池的開發是關注的焦點。近年來，在開發這些電池時，為了改善容量密度和能量效率，已經對新電極和電池的設計進行了研究和開發。

在目前應用的二次電池中，在20世紀90年代早期開發的鋰二次電池正受到很多關注，這是因為其優點在于：其比使用呈水溶液形式的電解液的傳統電池如Ni-MH電池、Ni-Cd電池和硫酸鉛電池具有高得多的工作電壓和能量密度。

特別是，鋰硫(Li-S)電池是使用具有S-S鍵(硫-硫鍵)的硫類材料作為正極活性材料并且使用鋰金屬作為負極活性材料的二次電池。所述鋰硫電池具有以下優點：作為正極活性材料的主要材料的硫資源非常豐富、無毒并且具有低原子量。此外，所述鋰硫電池的理論放電容量為1675mAh/1克硫，并且其理論能量密度為2600Wh/kg。由于鋰硫電池的能量密度比目前所研究的其它電池系統的理論能量密度高得多(Ni-MH電池：450Wh/kg；Li-FeS電池：480Wh/kg；Li-MnO₂電池：1000Wh/kg；Na-S電池：800Wh/kg)，因此鋰硫電池是迄今為止開發的電池中最有前途的電池。

在鋰硫電池的放電期間，在負極(陽極)處發生鋰的氧化反應并且在正極(陰極)處發生硫的還原反應。在放電之前硫具有環狀S₈結構。在還原反應(放電)期間，隨著S-S鍵斷裂，S的氧化數減少，并且在氧化反應(充電)期間，隨著S-S鍵重新形成，S的氧化數增加，從而使用這樣的氧化還原反應來儲存和產生電能。在該反應期間，硫通過還原反應從環狀S₈結構轉化成線性多硫化鋰(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)，并且最終當這樣的多硫化鋰被完全還原時，最終產生硫化鋰(Li₂S)。通過還原成各種多硫化鋰的過程，鋰硫電池的放電行為的特征為階段性地顯示放電電壓，這與鋰離子電池不同。

這種鋰硫電池存在以下問題：由于作為正極活性材料的硫和作為放電期間的產物的硫化鋰(Li₂S)的絕緣性能以及作為充電/放電期間的中間產物的多硫化物的溶出性，因此容量低于理論值并且循環壽命短。因此，為了改善鋰硫電池的性能，已經進行了各種研究以改善硫正極的反應性和循環穩定性。

作為鋰硫電池用正極活性材料的硫/碳復合物對正極的反應性和循環穩定性有很大的影響，這取決于其形狀、結構、比表面積、孔體積。隨著硫和碳的接觸面積達到最大并且比表面積和孔體積增加，確保了導電性和鋰離子傳導性，由此可以期望鋰硫電池的高性能運行。

因此，需要開發一種滿足上述條件并且廉價且可大量生產的硫/碳復合物的制備方法。