[发明专利]含有针铁矿的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种包含具有海胆形状的针铁矿作为正极添加剂的锂二次电池用正极和包含所述正极的锂二次电池。如果将所述具有海胆形状的针铁矿应用于所述锂二次电池的正极，那么具有通过吸附在所述电池的充电/放电过程中产生的多硫化锂(LiPS)而提高所述电池的充电/放电效率并且改善寿命特性的效果。

技术领域

本发明涉及含有针铁矿作为正极添加剂的锂二次电池用正极，并且涉及包含所述正极的具有改善的初始放电容量和寿命特性的锂二次电池。

本申请要求基于2019年2月13日提交的韩国专利申请第10-2019-0016498号的优先权的权益，该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

自20世纪90年代以来，二次电池作为不同于只能放电一次的一次电池而能够连续充电和放电的蓄电装置已经成为便携式电子装置的重要电子部件。特别是，自从锂离子二次电池在1992年由索尼公司在日本商业化以来，其作为诸如智能电话、数码相机和笔记本电脑的便携式电子装置的关键部件而引领了信息时代。

近年来，从清洁器和电动工具的电源、要用于诸如电动自行车和电动踏板车的领域的中型电池，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)以及各种机器人和大规模蓄电系统(ESS)的应用的大容量电池，对锂二次电池的需求正在迅速增长，同时正进一步拓宽锂二次电池的应用领域。

然而，在迄今已知的二次电池中具有最佳特性的锂二次电池在积极地用于诸如电动车辆和PHEV的运输车辆方面存在若干问题，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构成。在它们当中，由于电池的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正极和负极的材料限制而在容量上受到限制。特别是，由于用于诸如电动车辆和PHEV的应用的二次电池在充电一次之后应当能够持续尽可能长的时间，因此二次电池的放电容量是非常重要的。电动车辆销售的最大限制因素之一是在单次充电之后可以行驶的距离比配备有普通汽油发动机的车辆要短得多。

尽管付出了很多努力，但是这样的锂二次电池的容量限制由于锂二次电池的结构和材料限制因素而难以完全解决。因此，为了从根本上解决锂二次电池的容量问题，需要开发超越现有二次电池概念的新概念二次电池。

锂硫电池是一种新型的高容量和低成本的电池系统，其超越了由锂离子对金属氧化物和石墨的层状结构的嵌入/脱嵌反应(这是现有锂二次电池的基本原理)而决定的容量极限，这可以引起过渡金属的替代和成本节约。

锂硫电池具有源自于正极中锂离子和硫的转化反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)的1675mAh/g的理论容量，并且负极使用锂金属而使得电池系统能够具有非常高的容量(理论容量：3860mAh/g)。此外，由于放电电压为约2.2V，因此基于正极活性材料和负极活性材料的量，理论能量密度为2600Wh/kg。这些值是使用层状金属氧化物和石墨的市售的锂二次电池(LiCoO₂/石墨)的400Wh/kg的理论能量密度的约6倍至约7倍。

在2010年左右发现锂硫电池能够通过形成纳米复合物而显著改善电池性能之后，锂硫电池作为一种新型的高容量、环保、低成本的锂二次电池而受到关注，并且目前正作为下一代电池系统在全世界范围内被深入研究。

迄今为止揭示的锂硫电池的主要问题之一是由于硫具有约5.0×10^-14S/cm的电导率并且因此接近于非导体，因此电极处的电化学反应不容易进行，并且由于非常大的过电压，因此实际的放电容量和电压远低于理论值。早期的研究人员试图通过诸如对硫和碳进行机械球磨或用碳进行表面涂布的方法来改善性能，但是没有实质性的效果。