[发明专利]硫碳复合物、其制造方法和包含所述硫碳复合物的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种硫碳复合物，其包含多孔碳材料；和硫，其中所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分涂布有所述硫，所述硫碳复合物具有0.180cm³/g至0.300cm³/g的孔体积，并且所述硫碳复合物具有40.0nm至70.0nm的平均孔径；且涉及所述硫碳复合物的制造方法。此外，本发明涉及一种硫碳复合物的制造方法，所述方法包含以下步骤：(a)使用亨舍尔混合机将多孔碳材料与硫粒子混合，其中所述硫粒子具有1nm至1μm的粒度；和(b)将所述步骤(a)得到的混合物干燥。

技术领域

本申请要求于2017年11月24日向韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请号10-2017-0158293的优先权，该韩国专利申请的全部内容在此以引用的方式并入本文中。

本发明涉及一种硫碳复合物、其制造方法和包含所述硫碳复合物的锂二次电池。

背景技术

二次电池是可以重复充电和放电的蓄电系统，其不同于只能放电一次的一次电池。从20世纪90年代起，二次电池已经成为便携式电子装置的主要部件。特别是，由于锂离子二次电池在1992年由索尼公司商业化，因此它们已经在用于诸如智能电话、数码相机、笔记本电脑等便携式电子装置的核心部件领域引领了信息时代。

近年来，随着锂离子二次电池的应用领域逐渐扩大，对锂离子二次电池的需求迅速增长，所述锂离子二次电池包含用于诸如清洁器、电动工具用电源、电动自行车、电动踏板车的领域的中型电池，以及用于诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、各种机器人和大型蓄电系统(ESS)的领域的高容量电池。

然而，迄今为止，在市售二次电池中，具有最优异特性的锂二次电池还存在以下几个问题：它们难以有效地用于诸如电动车辆、PHEV等运输系统。最大的问题之一是容量限制。

锂二次电池基本上由诸如正极、电解质、负极等材料构成。在这些当中，由于电池容量由正极材料和负极材料决定，因此锂离子二次电池由于诸如正极和负极的材料的限制而存在容量限制。特别是，由于用于诸如电动车辆、PHEV等领域的二次电池在它们被充电一次之后必须尽可能地持续使用，因此二次电池的放电容量被认为是非常重要的。电动车辆的销售中被指出的最大限制之一是，在充电一次之后，它们具有比常规的汽油发动机汽车短得多的里程寿命。

尽管为此付出了许多努力，但是由于受锂二次电池的结构和材料的限制，因此可能无法完全解决对这样的锂二次电池的容量的限制。因此，为了从根本上解决关于锂二次电池的容量的问题，需要开发可以超越常规二次电池的边界的先进二次电池。

锂硫二次电池是一种新型的高容量且廉价的电池系统，其可以克服由锂离子嵌入到层状结构的金属氧化物和石墨中/从层状结构的金属氧化物和石墨中脱嵌(该现象被称作常规锂离子二次电池的基本原理)而决定的电池容量限制并且可以引起过渡金属的替换、成本削减等。

锂硫二次电池具有约1675mAh/g的理论容量，这源自于正极中锂离子和硫的转化(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)，并且负极使用锂金属(理论容量：3860mAh/g)，从而使得可以制造具有超高容量的电池系统。此外，由于锂硫二次电池具有约2.2V的放电电压，因此基于正极活性材料和负极活性材料的量，它在理论上具有2600Wh/kg的能量密度。该值是其中使用层状结构的金属氧化物和石墨的典型锂二次电池(LiCoO₂/石墨)的理论能量密度(400Wh/kg)的6倍至7倍。

在2010年左右已知可以通过纳米复合物的形成来显著改善电池性能后，锂硫二次电池已经成为新型的高容量、环保且廉价的锂二次电池，并且使得在全球范围内对下一代电池系统进行深入的研究。