[发明专利]硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种硫碳复合物，其包含：多孔碳材料和涂布在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫，其中所述硫碳复合物的孔体积为0.04cm³/g～0.400cm³/g并且所述硫碳复合物的比表面积为4.0m²/g～30m²/g；以及所述硫碳复合物的制备方法。

技术领域

本申请要求于2017年11月16日提交的韩国专利申请号10-2017-0153249和2018年2月23日提交的韩国专利申请号10-2018-0022217以及2018年11月15日提交的韩国专利申请号10-2018-0140659的优先权的权益，这些韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

本发明涉及硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池。

背景技术

近年来，对能量储存技术的关注越来越高。随着其应用领域扩展到用于移动电话、便携式摄像机、笔记本电脑、甚至是电动车辆的能源，正在越来越具体地进行对电化学装置的研究和开发。

在这方面，电化学装置是最值得关注的领域，并且其中能够充电/放电的二次电池的开发是关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和能量效率，已经对新电极和电池的设计进行了研究和开发。

在目前应用的二次电池中，在20世纪90年代早期开发的锂二次电池正受到很多关注，这是因为其优点在于：其比使用呈水溶液形式的电解液的传统电池如Ni-MH电池、Ni-Cd电池和硫酸铅电池具有高得多的工作电压和能量密度。

特别是，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且使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。所述锂硫电池具有以下优点：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，所述锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/1克硫，并且其理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的能量密度比目前所研究的其它电池系统的理论能量密度高得多(Ni-MH电池：450Wh/kg；Li-FeS电池：480Wh/kg；Li-MnO₂电池：1000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)，因此锂硫电池是迄今为止开发的电池中最有前途的电池。

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。在放电之前硫具有环状S₈结构。在还原反应(放电)期间，随着S-S键断裂，S的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，S的氧化数增加，从而使用这样的氧化还原反应来储存和产生电能。在该反应期间，硫通过还原反应从环状S₈结构转化成线性多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)，并且最终当这样的多硫化锂被完全还原时，最终产生硫化锂(Li₂S)。通过还原成各种多硫化锂的过程，锂硫电池的放电行为的特征为阶段性地显示放电电压，这与锂离子电池不同。

这种锂硫电池存在以下问题：由于作为正极活性材料的硫和作为放电期间的产物的硫化锂(Li₂S)的绝缘性能以及作为充电/放电期间的中间产物的多硫化物的溶出性，因此容量低于理论值并且循环寿命短。因此，为了改善锂硫电池的性能，已经进行了各种研究以改善硫正极的反应性和循环稳定性。

作为锂硫电池用正极活性材料的硫/碳复合物对正极的反应性和循环稳定性有很大的影响，这取决于其形状、结构、比表面积、孔体积。随着硫和碳的接触面积达到最大并且比表面积和孔体积增加，确保了导电性和锂离子传导性，由此可以期望锂硫电池的高性能运行。

因此，需要开发一种满足上述条件并且廉价且可大量生产的硫/碳复合物的制备方法。