[发明专利]锂硫电池

说明书

本发明涉及一种包含隔膜的锂硫电池，其中在所述隔膜中形成包含具有硝酰自由基位点的自由基化合物的吸附层，特别地涉及一种锂硫电池，所述锂硫电池通过在隔膜的至少一个表面上使用包含具有硝酰自由基位点的自由基化合物和导电材料的吸附层来抑制多硫化锂的溶出。在根据本发明的锂硫电池中，通过作为稳定的自由基化合物的具有硝酰自由基位点的自由基化合物吸附从正极溶出的多硫化锂，可以防止溶出和扩散，并且除此之外，还提供导电性以提供正极活性材料的反应位点，结果，提高了电池容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求于2017年6月20日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0077983号和于2018年5月3日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2018-0051030号的优先权和权益，并通过参考将其完整内容并入本文中。

本发明涉及一种锂硫电池，其中形成包含具有硝酰自由基官能团的自由基化合物的吸附层，特别地，涉及一种锂硫电池，所述锂硫电池通过在隔膜的至少一个表面上使用包含具有硝酰自由基官能团的自由基化合物的涂层而抑制多硫化锂的扩散。

背景技术

近年来，随着电子产品、电子装置、通信装置等快速地变得越来越小且越来越轻，并且考虑到环境问题而迫切需要电动车辆，对改进用作这些产品的电源的二次电池的性能的需求大幅增加。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受到了极大关注。

特别是，锂硫(Li-S)电池是使用具有硫-硫(S-S)键的硫类材料作为正极活性材料并且使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。硫作为正极活性材料的主要材料具有资源非常丰富、没有毒性以及具有低原子量的优势。此外，锂硫电池具有每克硫1675mAh的理论放电容量和2600Wh/kg的理论能量密度，这与目前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)相比是非常高的，因此是迄今开发的电池中最有希望的电池。

在锂硫(Li-S)电池的放电反应期间，在负极(阳极)中发生锂的氧化反应，并且在正极(阴极)中发生硫的还原反应。硫在放电之前具有环状S₈结构，并且利用氧化还原反应来储存和产生电能，其中在还原反应(放电)期间S的氧化数随S-S键的断裂而降低，并且在氧化反应(充电)期间S的氧化数随S-S键的再次形成而升高。在这种反应期间，通过还原反应将硫从环状S₈转化成线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4和2)，结果，当这样的多硫化锂被完全还原时最终产生硫化锂(Li₂S)。通过还原成各种多硫化锂的过程，锂硫(Li-S)电池的放电行为显示出与锂离子电池不同的阶段性的放电电压。

在诸如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂的多硫化锂中，特别是具有高的硫氧化数的多硫化锂(Li₂S_x，通常x4)容易溶解在亲水性电解液中。溶解在电解液中的多硫化锂由于浓度差而从生成了多硫化锂的正极向远侧扩散。如上所述从正极溶出的多硫化锂被冲到正极反应区域之外，使得不能逐渐还原成硫化锂(Li₂S)。换句话说，在正极和负极外部以溶解状态存在的多硫化锂不能参与电池的充放电反应，因此参与正极中的电化学反应的硫物质的量减少，结果，这成为引起锂硫电池的充电容量降低和能量减少的主要因素。

此外，除了漂浮在或浸入电解液中的多硫化锂之外，扩散到负极的多硫化锂直接与锂反应并以Li₂S的形式固定在负极表面上，这导致腐蚀锂金属负极的问题。

为了使这样的多硫化锂的溶出最小化，一直在对改变用硫粒子填充各种碳结构的正极复合体的形态进行研究，然而，这样的方法在制备时是复杂的并且没有解决根本问题。