[发明专利]制备羟基氧化铁(FeOOH)的方法和包含羟基氧化铁的锂硫电池正极

说明书

本发明涉及一种制备羟基氧化铁(FeOOH)的方法，以及包含所述羟基氧化铁的锂硫电池用正极。更具体而言，通过控制反应时间和反应温度能够制备晶态羟基氧化铁、特别是纤铁矿(γ‑FeOOH)，并且通过在锂硫电池用正极中使用所制备的高纯度羟基氧化铁能够提高电池的放电容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求基于2017年6月20日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0078017、2017年7月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0089104和2018年5月25日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0059572的优先权和权益，所述专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

本发明涉及一种能够用作锂硫电池用正极添加剂的羟基氧化铁(FeOOH)的制备方法、一种包含羟基氧化铁(FeOOH)作为正极添加剂的锂硫电池用正极、和通过具有它而具有增加的放电容量和改善的电池寿命的锂硫电池。

背景技术

与仅放电一次的一次电池不同，二次电池为能够连续充放电的蓄电装置，并且自20世纪90年代以来已成为便携式电子装置的重要电子部件。特别是，自锂离子二次电池在1992年被日本索尼公司商业化以来，锂离子二次电池作为诸如智能手机、数码相机和笔记本电脑的便携式电子装置的核心部件已经引领信息时代。

近来，随着锂离子二次电池进一步扩大其应用领域，从用于清洁器或电动工具的电源和诸如电动自行车和电动摩托车的领域中的中型电池到用于诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、各种机器人和大型电力存储系统(ESS)的领域中的高容量电池，对其需求已迅速增加。

然而，迄今为止可用的二次电池中具有最优异性能的锂二次电池在积极地用于诸如电动车辆或PHEV的运输设备时也存在若干问题，并且其中最大的问题是容量的限制。

锂二次电池基本上由诸如正极、电解质和负极的材料形成，并且由于其中的正极和负极材料决定电池容量，因此锂离子二次电池由于正极和负极材料的限制而受到容量的限制。特别是，在诸如电动车辆和PHEV的用途中使用的二次电池需要在一次充电后尽可能长时间使用，因此放电容量在二次电池中变得非常重要。电动车辆销售中的最大限制之一是一次充电后的行驶距离远远短于使用常规汽油发动机的汽车。

尽管付出了很多努力，但由于锂二次电池结构和材料的限制，锂二次电池中的这种容量限制难以完全解决。因此，需要开发超出现有二次电池概念的新概念二次电池，以便从根本上解决锂二次电池的容量问题。

锂硫电池是一种新型高容量且低价位的电池系统，其克服了由作为现有锂离子二次电池的基本原理的锂离子对层状结构金属氧化物和石墨的嵌入/脱嵌反应所决定的容量限制，并且能够实现过渡金属置换和成本的降低。

锂硫电池可以通过在正极中具有由锂离子和硫的转化反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)而获得的、达到1675mAh/g的理论容量并且使用锂金属(理论容量：3860mAh/g)作为负极来实现超高容量的电池系统。另外，放电电压为约2.2V，由此理论上基于正极和负极活性材料的量，可以获得2600Wh/kg的能量密度。与使用层状结构的金属氧化物和石墨的商业化锂二次电池(LiCoO₂/石墨)的理论能量密度400Wh/kg相比，这是高达约6至7倍的值。

在2010年左右人们知道通过形成纳米复合物可以显著提高电池性能后，锂硫电池作为一种新型高容量、环保且低价的锂二次电池已经受到了关注，并且已经在全球范围内对其作为下一代电池系统进行了深入研究。