[发明专利]硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种硫碳复合物及其制备方法，所述硫碳复合物包含多孔碳材料，所述多孔碳材料的内表面和外表面涂布有包含离子传导性官能团和电子传导性官能团的聚合物；和在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分上的硫。

技术领域

本申请要求基于2018年10月31日提交的韩国专利申请第10-2018-0132423号和2019年10月31日提交的韩国专利申请第10-2019-0137949号的优先权的权益，所述韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

本发明涉及硫碳复合物和包含其的锂二次电池。

背景技术

近来，对储能技术的兴趣日益增加。随着其应用领域扩展到用于移动电话、便携式摄像机、笔记本电脑、甚至是电动车辆的能源，正在越来越具体地进行对电化学装置的研究和开发工作。

电化学装置在这方面是最值得注意的领域，并且其中，对能够充电/放电的二次电池的开发是关注的焦点。近来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和能量效率，已进行了关于新电极和电池的设计的研究和开发。

在目前应用的二次电池之中，在90年代初期开发的锂二次电池正受到更多的关注，原因在于其优点为：其具有比常规电池高得多的工作电压和能量密度，所述常规电池例如为镍氢电池、镍镉电池和使用水溶液形式的电解液的硫酸铅电池。

锂硫电池是使用具有硫-硫键(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。所述锂硫电池具有以下优点：作为正极活性材料的主要材料的硫资源非常丰富、无毒并且具有低原子量。此外，所述锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/克硫，并且其理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的能量密度比目前所研究的其它电池系统的理论能量密度高得多(Ni-MH电池：450Wh/kg；Li-FeS电池：480Wh/kg；Li-MnO₂电池：1000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)，因此锂硫电池是迄今为止开发的电池中最有前途的电池。

在锂硫电池的放电期间，在负极(阳极)处发生锂的氧化反应并且在正极(阴极)处发生硫的还原反应。在放电之前硫具有环状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，并且在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，S的氧化数增加。使用所述氧化还原反应，存储和产生电能。在该反应期间，硫通过还原反应从环状S₈结构转化成线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)，并且最终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，锂硫电池的放电行为的特征为逐步地显示放电电压，这与锂离子电池不同。

然而，在锂硫电池的情况下，硫的电导率低、充放电期间的多硫化锂溶出和体积膨胀的问题，以及由此导致的随着充电/放电而产生的库仑效率低和容量迅速降低的问题应得到解决。

特别地，当在常规锂硫电池中负载低负载量的硫时，通过各种实验已知充分表现硫的反应性的结果。当增加硫的负载量时，存在反应性急剧降低的问题。

当在多孔碳材料或硫碳复合物上涂布功能性聚合物(吸附/催化剂/导电聚合物)以提高高负载量下的反应性时，报道了在低负载量情况下显示出对涂层的影响的结果。然而，在大量硫的情况下，当涂布高浓度的聚合物以解决该问题时，导致反应性反而降低并且电阻成分增加。

因此，需要找到一种即使在使用高浓度的硫时也可以通过用具有锂离子传导性和电子传导性的材料涂布多孔碳材料来提高反应性的方案，使得即使当使用高含量的硫时，也不会发生过电压并且官能团发挥其作用。

[现有技术文献]

[专利文献]