[发明专利]金属-硫电池正极，其制造方法以及包括其的金属-硫电池

说明书

提供一种金属‑硫电池正极，其制造方法以及包括该正极的金属‑硫电池。所述正极包括包含碳材料和含硫材料的正极活性材料层。在所述正极活性材料层中，分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。通过提供呈现高硫利用率的正极，可以提供具有高容量和稳定的寿命特性的金属‑硫电池。

技术领域

本发明涉及金属-硫电池，尤其涉及金属-硫电池的正极。

背景技术

近来，随着电子设备领域和电动车辆领域的快速发展，对二次电池的需求正在增加。特别地，随着便携式电子设备的小型化和轻量化的趋势，对具有高能量密度的二次电池的需求不断增长。

在二次电池中，锂-硫电池使用具有硫-硫键的硫基化合物作为正极活性材料，并且使用可以嵌入和脱嵌锂离子的碳基材料作为负极活性材料。在这种锂-硫电池的正极中，在还原反应(放电)中，随着硫与硫之间的键断裂，硫的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)中，随着硫-硫键的形成，硫的氧化数增加。氧化还原反应用于存储和产生电能。

这种锂-硫电池具有每单位重量能量密度高的优点，并且在正极活性材料中使用的元素硫每单位重量能量密度高、成本低并且对人体没有伤害。因此，作为未来市场上替代锂二次电池的下一代二次电池，锂-硫电池受到了广泛的关注，并且有望在例如大规模储能系统(Energy Storage System,ESS)和无人机市场中产生巨大的影响。

但是，锂-硫电池存在如下问题：由于在电池工作时硫作为正极活性材料的利用率(即，参与电化学氧化反应的硫的比例)低，因此电池容量低。另外，因为硫(多硫化锂)在电池工作时溶入电解质中，以及在某些情况下由于硫化锂的析出，而缩短了锂-硫电池的寿命。

另外，在锂-硫电池中，作为正极活性材料的硫的电导率低，因此在锂-硫电池初次充电或放电时难以形成作为锂-硫电池的主要电化学反应介质的多硫化锂。因此，在低温下，存在电池特性明显变差或电池不能工作的问题。

另一方面，用于制造电极的常规成型方法复杂并且可再现性差，特别是，由于对水分的敏感性，使用硫化锂的电池研究在电极开发中具有很大的困难。

[专利文件]韩国专利公开号10-2006-0023470

发明内容

技术问题

本实施方式要解决的问题是提供一种具有高容量且稳定寿命特性的金属-硫电池用正极的制造方法。另外，本实施方式提供了即使在诸如0℃-10℃的低温下也可以工作的金属-硫电池。

技术方案

解决上述技术问题的本发明的一个方面提供了一种锂-硫电池正极。所述正极包括包含碳材料和含硫材料的正极活性材料层。在所述正极活性材料层中，分别配置有使所述含硫材料致密的区域和使所述碳材料致密的区域。

所述含硫材料可以是S₈、Li₂S、硫化聚合物或其两种或更多种的混合物。例如，所述含硫材料可以是S₈和Li₂S的混合物。在所述正极活性材料层中，S₈的重量可以高于Li₂S的重量。

所述碳材料可以是石墨烯。所述正极活性材料层中的所述含硫材料的重量可以高于所述碳材料的重量。所述正极活性材料层可以包括60-90wt％的所述含硫材料和剩余wt％的碳材料。

在使所述含硫材料致密的区域中，纳米尺寸的含硫材料颗粒可以聚集并且被所述碳材料包围。所述含硫材料可以包含硫化锂纳米颗粒，并且一些所述硫化锂纳米颗粒可以是棒状纳米颗粒。所述含硫材料可以包含硫化锂，并且所述硫化锂具有正交晶相。

本发明的另一方面提供了一种金属-硫电池的正极的制造方法。所述方法包括制备碳材料和含硫材料的混合物，并将所述混合物放入模具中加压以形成正极活性材料层，所述正极活性材料层为自支撑膜。