[发明专利]硫碳复合材料、包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池

说明书

本发明的一个方面涉及一种硫碳复合材料、其制造方法和包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池，所述硫碳复合材料具有优异的反应性和寿命特性并且具有降低过电压的效果。

技术领域

本申请要求于2019年7月2日提交的韩国专利申请10-2019-0079364号和于2020年7月2日提交的韩国专利申请10-2020-0081369号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文中。

本发明的一个方面涉及一种硫碳复合材料、包含其的锂二次电池用正极和锂二次电池。

背景技术

随着对储能技术的兴趣不断增加，因为其应用范围从用于移动电话、平板电脑、膝上型电脑和摄像机的能源甚至扩展到用于电动车辆(EV)和混合动力电动车辆(HEV)的能源，所以对电化学装置的研究和开发正在逐渐增加。电化学装置的领域是这方面最受关注的领域。其中，能够充电/放电的诸如锂硫二次电池的二次电池的开发已经成为关注的焦点。近年来，在这些电池的开发中，为了提高容量密度和比能量，进行了新电极和电池的设计的研究和开发。

在这些电化学装置中，锂硫电池(Li-S电池)具有高能量密度(理论容量)，由此作为能够替代锂离子电池的下一代二次电池而备受关注。在这种锂硫电池中，在放电期间发生硫的还原反应和锂金属的氧化反应。此时，硫从具有环结构的S₈形成具有线性结构的多硫化锂(LiPS)。这种锂硫电池的特点在于显示出阶梯式放电电压，直到多硫化物被完全还原为Li₂S为止。

然而，锂硫电池商业化的最大障碍是多硫化锂的溶出和穿梭现象，这造成锂硫电池容量降低的严重问题。即，因为从正极溶出的多硫化物在有机电解液中具有高溶解度，所以可能发生不期望的多硫化物通过电解液迁移到负极(PS穿梭)。结果，发生了由于正极活性材料的不可逆损失而导致容量降低以及由于副反应导致硫粒子沉积在锂金属表面上而使电池寿命缩短。

因此，韩国未决专利公布2018-0048309号公开了，通过将包含在其表面上涂覆有离子传导性聚合物的碳纳米管以及硫的硫碳复合材料应用于锂硫电池，能够解决与多硫化物的溶出和穿梭现象相关的问题。

因此，已经开发了通过包裹用作锂硫电池用正极材料的硫碳复合材料的外部、处理隔膜的表面或使用负极的保护膜来防止多硫化锂溶出的技术，但效果不明显。

因此，在另一个方面，除了简单地尝试通过使用物理膜来解决多硫化锂的溶出问题之外，还需要开发一种能够解决多硫化锂的溶出和穿梭的问题的技术。

现有技术文献

(专利文献1)韩国未决专利公布10-2018-0048309号

发明内容

[技术问题]

本发明的一个方面的发明人为了解决上述问题而已经进行了各种研究，结果是已经确认，当将如下硫碳复合材料用作锂二次电池用正极活性材料时，降低了锂二次电池的过电压，并且改善了反应性和寿命特性，所述硫碳复合材料通过使用表面涂覆有共聚物的多孔碳材料来制备，所述共聚物含有能够起到促进多硫化锂的还原反应的催化功能的氧化还原官能团以及能够改善锂离子的传递的锂离子传导官能团。

因此，本发明的一个方面提供一种能够降低过电压并改善锂二次电池的反应性和寿命特性的硫碳复合材料。

此外，本发明的另一个方面提供一种包含所述硫碳复合材料的锂二次电池用正极和一种包含所述正极的锂二次电池。

[技术方案]

为实现上述目的，本发明的一个方面提供一种硫碳复合材料，所述硫碳复合材料包含：多孔碳材料；和硫，所述硫形成在所述多孔碳材料的内部和表面中的至少一部分上，其中所述多孔碳材料的表面涂覆有含有氧化还原官能团和锂离子传导官能团的共聚物。