[发明专利]包含聚酰亚胺的正极活性材料、其制造方法和包含其的锂-硫电池

说明书

本发明涉及一种用于锂‑硫电池的包含聚酰亚胺的正极活性材料(更特别地，涉及一种具有聚酰亚胺和碳类二次粒子与硫粒子复合而形成的复合材料的正极活性材料)、其制备方法以及包含所述正极活性材料的锂‑硫电池。当将根据本发明的包含聚酰亚胺的复合正极活性材料应用于锂‑硫电池时，抑制了多硫化物的溶出，从而改善了寿命特性和能量效率。

技术领域

本申请要求2016年8月10日提交的韩国专利申请第10-2016-0101999号的权益，其全部内容通过引用被并入本文中。

本发明涉及一种用于锂-硫电池的含有聚酰亚胺的正极活性材料(更具体地，涉及一种通过将聚酰亚胺和碳类二次粒子的复合材料与硫粒子复合而形成的正极活性材料)、其制备方法以及包含该正极活性材料的锂-硫电池。

背景技术

近来，随着电子产品、电子设备、通信设备等的小型化和轻量化迅速发展并且涉及环境问题的对电动车辆的需求已经大大增加，对于被用作这些产品的电源的二次电池的性能改善的需求也在增长。其中，锂二次电池作为高性能电池，由于其高能量密度和高标准电极电位，引起了相当大的关注。

锂-硫(Li-S)电池是使用具有S-S键(硫-硫键)的硫类材料作为正极活性材料并使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。锂-硫电池的优点在于，作为正极活性材料的主要材料的硫资源非常丰富，无毒，并且具有低原子量。此外，锂-硫电池的理论放电容量为1675mAh/g硫，并且其理论能量密度为2,600Wh/kg。因为锂-硫电池的能量密度远远高于目前正在研究的其他电池系统的理论能量密度(Ni-MH电池：450Wh/kg，Li-FeS电池：480Wh/kg，Li-MnO₂电池：1000Wh/kg，Na-S电池：800Wh/kg)，所以锂-硫电池在迄今为止开发的电池中是最有前途的电池。

在锂-硫电池的放电期间，在负极(阳极)处发生锂的氧化反应，并且在正极(阴极)处发生硫的还原反应。放电前的硫具有环状S₈结构。在还原反应(放电)期间，随着S-S键被切断，S的氧化数减少，在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，使用氧化-还原反应来储存和产生电能，在氧化反应中S的氧化数增加。在该反应期间，硫通过还原反应从环状S₈结构转化为多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)的线性结构，最终，当多硫化锂被完全还原时，最后生成硫化锂(Li₂S)。通过还原至每个多硫化锂的过程，锂-硫电池的放电行为的特征在于与锂离子电池不同的逐步放电电压。

在如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂的多硫化锂中，特别地，具有高氧化数硫的多硫化锂(Li₂S_x，通常x4)易于溶解在亲水性电解液中。溶解在电解液中的多硫化锂通过浓度差扩散，离开产生多硫化锂的正极。因此，从正极溶出的多硫化锂流失到正极反应区的外部，使得还原为硫化锂(Li₂S)的逐步还原不能够进行。也就是说，因为离开正极和负极的以溶解状态存在的溶解多硫化锂不能参与电池的充放电反应，所以在正极处电化学反应中涉及的硫的量减少，结果是，这是降低锂-硫电池的充电容量和能量的主要因素。

此外，除了漂浮或沉积在电解液中之外，扩散到负极中的多硫化锂与锂直接反应，并且以Li₂S的形式粘附到负极表面，由此导致锂金属负极的腐蚀。

为了使多硫化锂的溶出最小化，正在进行大量研究。例如，已经开展了使用含有氮或氧的碳(被称为多硫化锂的吸附剂)的研究，或类似的通过在电极或复合材料上涂覆或添加聚合物来诱导多硫化锂的吸附的研究，但这不足以完全解决多硫化锂的溶解问题。

[现有技术文献]