[发明专利]锂硫电池

说明书

本发明涉及一种锂硫电池。更具体地，本发明涉及一种在包含硫的正极与隔膜之间还包含含有电解液的聚合物无纺布的锂硫电池。通过在正极与隔膜之间还包含含有电解液的聚合物无纺布，根据本发明的锂硫电池能够连续地将电解液供应到正极，并抑制多硫化物的溶出。因此，根据本发明的锂硫电池具有降低的放电过电压，并显示出优异的放电容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求于2016年9月9日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0116155号的优先权和权益，其全部内容通过引用被并入本文中。

本发明涉及一种锂硫电池。更具体地，本发明涉及一种在包含硫的正极与隔膜之间还包含含有电解液的聚合物无纺布的锂硫电池。

背景技术

随着便携式电子设备、电动车辆和大容量电力存储系统的最近发展，对大容量电池的需求已经出现。

锂硫电池是使用具有硫-硫键(S-S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，并且作为正极活性材料的主要材料的硫具有资源非常丰富、无毒且原子量低的优点。

此外，锂硫电池具有1672mAh/g-硫的理论放电容量和2600Wh/kg的理论能量密度，这与目前研究的其它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)相比是非常高的，因此锂硫电池作为具有高能量密度性能的电池而受到了关注。

在锂硫电池的放电反应期间，在负极(阳极)中发生锂的氧化反应，并且在正极(阴极)中发生硫的还原反应。硫在放电前具有环状的S₈结构，并且使用氧化-还原反应来储存和产生电能，其中当在还原反应(放电)期间S-S键断裂时，S的氧化数减少，并且当在氧化反应(充电)期间S-S键再次形成时，S的氧化数增加。

在这样的反应期间，硫通过还原反应从环状的S₈转化为线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4和2)，结果是，当这样的多硫化锂被完全还原时，最终生成硫化锂(Li₂S)。通过被还原至各多硫化锂的过程，锂硫(Li-S)电池的放电行为显示出与锂离子电池不同的阶段性的放电电压。

在诸如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂的多硫化锂中，具有高的硫氧化数的多硫化锂(Li₂S_x，通常x4)特别容易溶解在亲水性电解液中。由于浓度差，溶解在电解液中的多硫化锂从产生了多硫化锂的正极向远处扩散。如上所述从正极溶出的多硫化锂流失到正极反应区域之外，这使得多硫化锂不能被逐渐还原成硫化锂(Li₂S)。换句话说，在正极和负极之外以溶解状态存在的多硫化锂不能参与电池的充电和放电反应，因此，在正极中参与电化学反应的硫材料的量减少，结果这成为造成锂硫电池的充电容量降低和能量降低的主要因素。此外，多硫化锂的溶解增加电解液的粘度，这成为造成电池放电过电压的因素。除此之外，扩散到负极的多硫化锂与锂金属直接反应，从而腐蚀锂金属负极。

如上所述，多硫化锂的溶出对电池的容量保持率和寿命特性产生不利影响，并且已经进行了各种尝试以抑制多硫化锂的溶出。作为一个例子，可以包括如下方法：将具有硫吸附性质的添加剂添加到正极混合物中的方法；用包含氢氧化物、涂布元素的羟基氧化物、涂布元素的碳酸氧盐或涂布元素的羟基碳酸盐的材料对硫表面进行表面处理的方法；以及将碳材料制成纳米结构体并将多硫化锂束缚在该碳材料中的方法。

然而，添加添加剂的方法存在导电性劣化的问题和副反应的危险，表面处理技术存在处理工序期间会导致活性材料损失和在成本方面不利的缺点，并且碳纳米结构体存在制备工序复杂的缺点。