[发明专利]用于锂硫电池的金属-硫电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于锂硫电池的金属-硫电极及其制备方法。更具体地，本发明涉及通过如下制备的用于锂硫电池的金属-硫电极：在金属电极上涂覆包括硫、导电材料和粘合剂的浆料混合物作为电极活性材料，并将其干燥同时施加电场使得导电材料充分配向，以在用于锂硫电池的阳极时在反复的充电和放电过程中提供最大化的效率。

背景技术

金属-硫电极通常用作锂硫电池中的阳极。锂硫电池也已知为车辆工业中的高性能锂电池。在金属硫电极中，由于硫是绝缘体且缺乏导电性，通常使用导电材料。金属-硫电极中所包含的导电材料为锂离子运动至硫提供传导路径，以及在金属(例如铝)电极与硫之间提供电子传导路径。为将锂硫电池应用至里程可与以汽油为燃料的车辆的里程相比的电动车，能量密度应在300-500Wh/kg之间。为实现这点，在铝电极上以相对厚的方式形成活性材料以增加单位面积的硫的量。由于硫的量增加，导电材料的量必须也增加。然而，由于随着时间反复地进行充电和放电，增加导电材料的量可能导致电极的导电性降低。为克服该问题，需要具有孔使聚硫化物的运输容易的电极。

锂硫电池具有2,600Wh/kg的理论能量密度，其大大高于现有锂-离子电池的570Wh/kg。然而，为了增加用于车辆中的电池组的能量密度，应使由硫、导电材料和粘合剂组成的活性材料中硫的比例最大化。而且，当前的锂硫电池也经受在反复的充电和放电之后容量和寿命降低的问题。

如图1所示，现有的用于锂硫电池的金属-硫电极需要大量的导电材料以提供改善的导电性，因为导电材料在金属电极例如铝电极上的硫、导电材料[例如碳纳米管(CNT)]和粘合剂的涂层中未配向。这导致能量密度降低。而且，由于在放电之后的再充电过程中硫没有均匀地分散在导电材料中，电极是无效的。此外，其因耐久性差而具有短寿命。

鉴于此，日本专利申请公开第2005-251586号公开了包括正电极集电器的锂二次电池，其中包括有硫、导电材料和粘合剂。然而，在该方法中没有解决上述与导电材料的使用相关的问题。

此外，日本专利申请公开第2006-143496号公开了在基板上形成碳纳米管和通过施加电场沿期望的方向上使碳纳米管取向。然而，其仅涉及使用电场沿期望的方向使碳纳米管配向的技术而与硫无关。因此，其未解决上述与金属-硫电极相关的问题。

更进一步，日本专利申请公开第2011-23276公开了包括具有导电性的树脂层的集电器，该树脂层包括响应于电场的施加而可逆地膨胀或收缩的电场响应性聚合物材料。然而，导电材料与金属-硫电极完全无关并且在该专利中没有使用硫。

韩国专利申请公开第2007-17062号公开了在电极之间形成直流电场的方法以促使导电材料和活性材料的形成。然而，该专利也与金属-硫电极无关。

也就是说，现有技术未能解决在锂硫电池用金属-硫电极中的活性材料中提供有效维持的导电性以增加能量密度的问题，其中所述活性材料包括硫、导电材料和粘合剂。

发明内容

在本发明的示例说明的实施方式中，通过使用电场来调节用于电动车辆用下一代锂硫电池的金属-硫电极中的导电材料的配向。通过实施上述技术，导电材料的能量密度可以大大提高，并且使用其的电极在充电-放电循环过程中呈现出改善的耐久性。

更具体地，本发明旨在提供能量密度和充电-放电循环耐久性改善的锂硫电池用金属-硫电极。本发明还旨在提供制备锂硫电池用金属-硫电极的方法，其中通过施加电场使包括在金属-硫电极中的导电材料配向以具有方向性。

一方面，本发明提供包括涂覆在金属电极上的电极活性材料的锂硫电池用金属-硫电极，所述电极活性材料包括硫、由针状或杆状碳材料构成的导电材料、和粘合剂。对导电材料进行配向以在一个方向上具有方向性。

另一方面，本发明提供制备锂硫电池用金属-硫电极的方法，其包括在金属电极上涂覆包含硫、由针状或杆状碳材料构成的导电材料、和粘合剂的电极活性材料于溶剂中的浆料混合物，并且将其干燥同时对金属电极沿一个方向施加电场，使得导电材料配向以在一个方向上具有方向性。

本发明的上述和其它方面和特征将在下文描述。

附图说明

现在将参考本发明的附图所图示的某些示例性实施方式来详细地描述本发明的上述和其它目的、特征和优势，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1示意性地显示现有的锂硫电池的金属-硫电极的结构；且