[发明专利]用于锂硫电池的正极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂硫电池的正极（阴极，cathode）及其制备方法，并且更具体地，涉及一种通过使用其中溶解另外的活性物质的电解质而具有单位重量（per weight）最大化的能量密度的锂硫电池。

背景技术

随着便携式电子装置的技术的进步，对于轻型和高容量电池的需求已经增长。作为满足该需求的二次电池，已经开发使用基于硫的材料作为正极活性物质的锂硫电池。

该锂硫电池是二次电池，其使用（1）具有S-S键（硫-硫键）的基于硫的材料作为正极活性物质以及（2）其中发生诸如锂的碱金属或者诸如锂离子的金属离子的嵌入或者脱嵌的基于碳的材料作为负极活性物质。在还原反应的过程中（在放电时），S-S键断裂并且S的氧化值降低。在氧化反应的过程中（在充电时），S的氧化值增加并且再次形成S-S键。通过使用这种氧化-还原反应，锂硫电池产生并存储电能。

如果使用锂金属作为负极活性物质，则锂硫电池的能量密度为3830mAh/g；而如果使用硫（S₈）作为正极活性物质，则锂硫电池的能量密度为1675mAh/g。因此，就目前为止开发的电池中的能量密度而言，锂硫电池是最有希望的电池。此外，因为用作正极活性物质的基于硫的材料是廉价且对生态环境友好的材料，所以锂硫电池具有优势。

然而，锂硫电池系统在商业化方面具有限制性。如果使用硫作为活性物质，则电池中硫的有效性（意味着参与电化学氧化-还原反应的硫的量）相对于硫输入的量较低。不同于理论值，实际上该电池的电池容量非常低。此外，在氧化-还原反应时，硫泄漏到电解质中，由此减少了电池寿命。如果不选择适当的电解质，则作为硫还原物质的硫化锂（Li₂S）析出并且此后硫不能参与电化学反应。此外，当将具有非常高反应性的锂金属用作负极活性物质时，除非选择不与锂金属反应的适当的电解质，否则在充电/放电时产生锂金属的枝晶。这可能造成循环寿命特性的劣化。

已经做出许多尝试以解决低于理论充电/放电容量的问题。例如，已经制造了不允许产生枝晶的结构，并且已经制造了具有不导致硫泄漏的组成的电解质。然而，在表示与实际需求水平同样稳定并同样高的充电/放电容量方面存在限制。

关于锂硫电池尤其是正极结构，存在诸如在以下文献中描述的那些的常规设计。

EP专利第1,149,428号描述了电流产生电池，其包括包含含硫正极活性物质的正极、负极、固体多孔隔膜、以及由诸如Li₂S_x（x是1至20的整数）等的锂盐和诸如二甲醚等的醚溶剂形成的非水电解质。

WO公开第2001-0035475号描述了一次电化学电池，其包括锂负极、由含硫材料形成的正极、压升电抗元件（voltage rise reactive element）、以及由诸如醚等的非水电解质溶剂和诸如Li₂S_x（x是1至20的整数）的锂盐形成的非水电解质。

韩国专利申请公开第2007-0085575号描述了用于锂硫电池的电解质，该用于锂硫电池的电解质包括溶解于诸如二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)（二甘醇二甲醚(2-二乙二醇二甲醚)）、1,3-二氧戊环等的中性溶剂中的一种或多种电解质盐以及诸如Li₂Sn等的添加剂。还描述了由包括含锂材料的负极和包括含硫材料的正极组成的锂硫电池。

C.Barchasz等人的Anal.Chem.2012,84,3973描述了由在0.01M的低浓度的Li₂S_x制造的产品。研究了通过其形成的锂硫电池的操作/反应机理并且分析了色谱法和UV吸收波长的结果。

发明内容

本发明提供了一种具有单位重量的最大化能量密度的锂硫电池。特别地，通过将另外的活性物质溶解于电池的电解质中而不是仅仅增加作为电池的正极的硫的负载量的常规方法来为该锂硫电池提供最大的能量密度。

根据一个方面，本发明提供一种用于锂硫电池的正极，该用于锂硫电池的正极包括含硫活性物质、其中锂盐溶解于醚类溶剂（基于醚的溶剂，ether-based solvent）中的电解质、以及溶解于电解质中的以Li₂S_x（0<x≤9）形式的另外的液体活性物质。根据另一个方面，本发明提供一种使用在此描述的正极的锂硫电池。