[发明专利]锂硫二次电池

说明书

本发明涉及一种锂硫二次电池，特别地涉及如下锂硫二次电池，所述锂硫二次电池通过包含引入了催化位点的硫的正极，并规定所述正极和电解液的条件而能够获得比常规的锂硫电池更高的能量密度。

技术领域

本申请要求于2019年7月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0086694号和于2020年6月30日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2020-0080086号的权益，通过引用将其公开内容以其完整的形式并入本文中。

本发明涉及一种锂硫二次电池。

背景技术

随着二次电池的应用领域扩展到电动车辆(EV)、储能系统(ESS)等，具有相对低的单位重量储能密度(～250Wh/kg)的锂离子二次电池在此类产品中的应用具有局限。另一方面，锂硫二次电池具有高的理论能量密度(～2600Wh/kg)，由此已经作为下一代二次电池技术引起了关注。

锂硫二次电池是使用具有硫-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电池体系。此类锂硫二次电池的优点在于，作为正极活性材料的主要材料的硫全球资源非常丰富，无毒且原子量低。

在锂硫二次电池的放电期间，作为负极活性材料的锂在释放电子并被离子化的同时被氧化，并且作为正极活性材料的硫类材料通过接收电子而被还原。此时，锂的氧化反应是其中锂金属释放电子并转变成锂阳离子形式的过程。另外，硫的还原反应是其中硫-硫键接收两个电子并转变成硫阴离子形式的过程。通过锂的氧化反应而生成的锂阳离子通过电解质转移至正极，并通过与通过硫的还原反应而生成的硫阴离子键合而形成盐。具体地，放电之前硫具有环状的S₈结构，并且其通过还原反应而变为多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)，并且当此类多硫化锂被完全还原之后，最终生成硫化锂(Li₂S)。

由于作为正极活性材料的硫的电导率低，因此以固态形式难以确保与电子和锂离子的反应性。为了改善硫的这种反应性，常规的锂硫二次电池产生Li₂S_x形式的中间物多硫化锂以诱导液态反应并改善反应性。在此，使用对多硫化锂具有高溶解度的醚类溶剂如二氧戊环或二甲氧基乙烷作为电解液的溶剂。此外，常规的锂硫二次电池构建了阴极电解液型锂硫二次电池体系以改善反应性，在这种情况下，由于多硫化锂易溶于电解液的性质而导致硫的反应性和寿命性能受到电解液含量的影响。此外，贫电解质条件对于高能量密度是必要的，然而，电解液中的多硫化锂浓度随着电解液的减少而增加，从而由于活性材料迁移率的降低和副反应的增加而使得正常的电池驱动变得困难。

这种多硫化锂溶出对电池容量和寿命性能产生不利影响，并且已经提出了各种用于抑制多硫化锂溶出的技术。

例如，韩国专利公布2016-0037084号公开了，使用涂布有石墨烯的具有三维结构的碳纳米管聚集体作为碳材料可以防止多硫化锂的溶出，并且可以提高硫碳纳米管复合材料的导电性。

此外，韩国专利1379716号公开了，通过使用通过如下方法制备的含硫石墨烯复合材料作为正极活性材料，可以抑制多硫化锂的溶出，结果可以最小化电池容量的降低，在所述方法中，用氢氟酸处理石墨烯以在石墨烯表面上形成孔并在所述孔中生长硫粒子。

这些专利通过改变用作正极活性材料的硫碳复合材料的结构或材料，通过防止多硫化锂溶出，在一定程度上改善了锂硫二次电池性能下降的问题，但效果并不充分。因此，为了构建具有高能量密度的锂硫二次电池，需要能够驱动高负载且低孔隙率的电极的电池体系，并且在本领域中一直在对此类电池体系进行研究。

现有技术文献

[专利文献]