[发明专利]碳基纤维片及包含其的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种碳基纤维片和包含其的锂硫电池。本发明的锂硫电池用碳基纤维片掺杂有高浓度的氮，由此通过吸附在充放电期间从正极溶出的多硫化锂而起到防止扩散的作用，从而抑制穿梭反应，由此改善锂硫电池的容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求于2016年6月2日提交的韩国专利申请10-2016-0068855号以及于2017年3月13日提交的韩国专利申请10-2017-0031126号的优先权和权益，并通过引用的方式将其全部内容并入本文中。

本发明涉及对多硫化锂具有优异吸附效果的碳基纤维片及包含其的锂硫电池。

背景技术

近年来，随着电子产品、电子装置、通信装置等的小型化和轻量化的迅速发展以及因环境问题而对电动车辆的需求的大幅增加，对于用作这些产品的电源的二次电池的性能改进的需求也在不断增加。其中，锂二次电池由于其高能量密度和高标准电极电位而作为高性能电池引起了显著关注。

具体而言，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使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。锂硫电池的优点在于，作为正极活性材料的主要材料的硫资源非常丰富、无毒性、并具有低原子量。此外，锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/g-硫，并且它的理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的能量密度远高于目前正在研究的其它电池系统的理论能量密度(Ni-MH电池：450Wh/kg，Li-FeS电池：480Wh/kg，Li-MnO₂电池：1000Wh/kg，Na-S电池：800Wh/kg)，所以锂硫电池是迄今开发的电池中最有前途的电池。

在锂硫电池放电期间，在负极处发生锂的氧化反应并在正极处发生硫的还原反应。放电前的硫具有环状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，而在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，利用S的氧化数增加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结构转化为线性多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)。最终，当多硫化锂被完全还原时，最终产生硫化锂(Li₂S)。与锂离子电池不同，通过还原为各多硫化锂的过程，锂硫电池的放电特性的特征在于阶梯式放电电压。

在多硫化锂例如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂中，特别是硫的氧化数高的多硫化锂(Li₂S_x，通常x>4)容易溶解在亲水性电解液中。溶解在所述电解液中的多硫化锂通过浓度差扩散离开生成所述多硫化锂的正极。由此，从正极溶出的多硫化锂损失到正极反应区之外，使得不能进行逐步地还原成硫化锂(Li₂S)。也就是说，由于远离正极和负极的以溶解状态存在的溶解的多硫化锂不能参与电池的充放电反应，因此参与所述电化学反应的硫的量在正极处减少，因此，这是降低锂硫电池的充电容量和能量的主要因素。

此外，扩散到负极的多硫化锂除了悬浮或沉积在电解液中之外，扩散到负极的多硫化锂还直接与锂反应并以Li₂S的形式粘附于负极的表面，由此导致锂金属负极的腐蚀。

为了使多硫化锂的溶出最小化，正在研究改变正极复合物的形态，其中通过将硫粒子浸渍于各种碳结构或金属氧化物中而形成复合物。

另一方面，据报道，当碳材料掺杂有氮时，表面极性改变并且吸附多硫化锂。特别地，在碳表面上掺杂的各种氮官能团之中，吡咯基团和吡啶基团对吸附多硫化锂是有效的(Chem.Mater.，2015，27，2048-2055/Adv.Funct.Mater.，2014，24，1243-1250)。因此，需要采取措施通过增加碳材料中的氮含量来改善多硫化锂吸附能力。

[现有技术文献]