[发明专利]锂硫电池用正极活性材料、其制备方法以及包含其的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用正极活性材料、其制备方法以及包含其的锂硫电池，更特别地，涉及一种包含核‑壳结构的粒子状结构体的锂硫电池用正极活性材料，所述核‑壳结构包含核部和覆盖所述核部的整个表面或部分表面的壳部，其中所述核部包含硫化合物，所述壳部包含聚噻吩乙酸‑聚乙二醇接枝共聚物。本发明的锂硫电池用正极活性材料具有优异的电化学反应性并吸附多硫化锂，从而改善所述锂硫电池的容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求基于2020年8月11日提交的韩国专利申请第10-2020-0100684号的优先权权益，通过引用将其全部内容以其完整的形式并入本文中。

本发明涉及一种锂硫电池用正极活性材料、其制备方法和包含其的锂硫电池。

背景技术

随着锂二次电池的使用范围不仅扩展到便携式电子装置和通信装置，还扩展到电动车辆(EV)和电力存储系统(ESS)，对用作它们的电源的锂二次电池的高容量的需求一直在增长。

在各种锂二次电池中，锂硫电池是使用具有硫-硫键(S-S键)的硫基材料作为正极活性材料，并使用如下物质作为负极活性材料的电池系统：锂金属、在其中发生锂离子的嵌入/脱嵌的碳基材料或与锂形成合金的硅或锡。

优点是，作为锂硫电池中正极活性材料的主要材料的硫的原子量低，资源非常丰富并因此易于供应和接收，并且价格便宜，无毒且环境友好。

另外，锂硫电池具有来源于正极中锂离子与硫的转化反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)的1675mAh/g的理论容量，并且在将锂金属(理论容量：3860mAh/g)用作负极时，理论能量密度为2600Wh/kg。因为锂硫电池的能量密度远高于目前正在研究的其它电池系统(Ni-MH电池：450Wh/kg；Li-FeS电池：480Wh/kg；Li-MnO₂电池：1000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)和锂二次电池(250Wh/kg)的理论能量密度，所以锂硫电池作为迄今为止开发的二次电池中容量高、环境友好且成本低的锂二次电池备受关注，并且是正在进行多项研究的下一代电池系统。

在锂硫电池的情况下，当对它放电时，分别在正极进行硫接受电子的还原反应并且在负极进行锂被离子化的氧化反应。

在这种锂硫电池中，因为用于正极活性材料中的硫的导电率为5×10^-30S/cm并因此是不具有导电性的非导体，所以存在难以移动由电化学反应产生的电子的问题。因此，将硫与能够提供电化学反应位点的诸如碳的导电材料复合并加以使用。然而，在这种情况下，因为在正极活性材料中一起包含其它导电材料，所以存在正极的电化学反应性不足并因此整个电池的能量密度降低的问题。

另外，在锂硫电池放电过程中，在正极产生多硫化锂(Li₂S_x，x＝2至8)，并且一部分多硫化锂易于溶解在电解质中，导致硫从正极溶出，由此加速正极电化学反应性的降低，从而正极的可逆容量大大降低，而且溶解的多硫化锂扩散到负极，引起各种副反应。另外，在充电过程期间，多硫化锂会引起穿梭反应，从而明显降低充电/放电效率。

由于上述问题，锂硫电池在实际运行期间具有高的初始容量，但是随着循环的进行，容量和充电/放电效率特性迅速下降，因此寿命也会缩短。因此，难以保证足够的性能和运行稳定性，从而尚未商业化。

因此，已经提出了多种技术来弥补锂硫电池中硫的低导电性并解决多硫化锂的溶出问题。

例如，韩国专利公开号2017-0139761公开，通过并入包含氮掺杂的碳材料的正极活性材料层和保护层，能够延迟多硫化锂的溶出，由此改善电池的容量和寿命。