包含硫-碳复合材料的正极和包含正极的锂离子二次电池的制作方法

本发明涉及一种具有高能量密度并抑制多硫化物溶出的锂离子二次电池和用于电池的正极。本申请要求于2021年10月29日在韩国提交的韩国专利申请第10-2021-0147384号的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用并入本文中。

背景技术：

1、使用常规正极电解质系统的锂硫(li-s)电池存在的问题是，因为它依赖于通过形成多硫化物作为li2sx形式的中间产物的正极电解质型反应，所以不能充分利用硫(s)的高理论放电容量(1675mah/g)并且由于多硫化物的溶出而引起电池寿命特性的降低。

2、近来，已经开发了一种抑制多硫化物溶出的微溶剂化电解质(sse)系统。因此，已经确定，应用具有大于1,500m2/g的高比表面积的碳质材料，使得基于理论容量的利用率为90％以上。然而，需要改善低寿命特性和输出特性。

3、在这些情况下，为了实现具有400wh/kg以上且600wh/l以上高能量密度的电池系统，需要即使在4.0mah/cm2以上且60体积％以下的孔隙率下也能够运行的电解质和正极活性材料系统。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明旨在解决相关技术的问题，因此本发明旨在提供一种用于电池系统的正极活性材料，所述正极活性材料具有400wh/kg以上且600wh/l以上的高能量密度。

3、本发明还旨在提供一种包含正极活性材料的锂离子二次电池。

4、此外，将容易理解的是，本发明的这些和其它目的和优点可以通过所附权利要求书中所示的手段及其组合来实现。

5、技术方案

6、根据本发明的第一实施方案，提供一种锂硫电池用正极，所述正极包含正极活性材料，正极活性材料包含第一硫-碳复合材料与第二硫-碳复合材料的混合物，

7、其中，第一硫-碳复合材料包含第一碳质材料和硫，并且第一碳质材料的bet比表面积为1,600m2/g以上并且直径小于3nm的孔基于100体积％的全部孔的比率为80体积％以上，并且

8、第二硫-碳复合材料包含第二碳质材料和硫，并且第二碳质材料的bet比表面积等于或大于1,000m2/g且小于1,600m2/g并且直径小于3nm的孔基于100体积％的全部孔的比率为50体积％以下。

9、根据本发明的第二实施方案，提供如第一实施方案所限定的锂硫电池用正极，其中，所述第一碳质材料的bet比表面积为2000m2/g以上。

10、根据本发明的第三实施方案，提供如第一实施方案或第二实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，第一碳质材料包含活性炭。

11、根据本发明的第四实施方案，提供如第一实施方案至第三实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的第一碳质材料，第一碳质材料以95重量％以上的量包含活性炭。

12、根据本发明的第五实施方案，提供如第一实施方案至第四实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的第一硫-碳复合材料和第二硫-碳复合材料，第一硫-碳复合材料的含量小于90重量％。

13、根据本发明的第六实施方案，提供如第一实施方案至第五实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，第一硫-碳复合材料的由如下公式1定义的scp值大于0.65且小于1，并且第二硫-碳复合材料的由如下公式1定义的scp值大于0.55且小于0.85，

14、[公式1]

15、scp＝硫含量比(a)÷碳质材料的孔体积比(b)

16、在公式1中，a表示硫的重量基于碳-硫复合材料的重量的比率，并且b表示碳质材料中的孔体积基于碳质材料的表观体积的比率。

17、根据本发明的第七实施方案，提供如第一实施方案至第六实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的正极活性材料，正极活性材料以70重量％以上的量包含第一硫-碳复合材料和第二硫-碳复合材料。

18、根据本发明的第八实施方案，提供如第一实施方案至第七实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，第一硫-碳复合材料和第二硫-碳复合材料各自为如下中的至少一种：通过将硫与碳质材料简单混合而形成的复合材料，具有核-壳结构的经涂覆的复合材料，以及包含填充在碳质材料的内部孔中的硫的复合材料。

19、根据本发明的第九实施方案，提供如第一实施方案至第八实施方案中任一项所限定的锂硫电池用正极，其中，正极活性材料进一步包含粘合剂树脂和导电材料。

20、根据本发明的第十实施方案，提供一种锂硫电池，所述锂硫电池包含正极、负极、介于正极和负极之间的隔膜、以及电解液，其中，电解液包含选自环醚、直链醚和氟化醚中的至少一种，并且正极与第一实施方案至第九实施方案中的任一项所限定的正极相同。

21、有益效果

22、根据本发明的使用硫-碳复合材料的锂-硫电池显示降低的初始不可逆容量并提供改善的输出特性和寿命特性。

技术特征：

1.一种锂硫电池用正极，所述正极包含正极活性材料，所述正极活性材料包含第一硫-碳复合材料与第二硫-碳复合材料的混合物，

2.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，所述第一碳质材料的bet比表面积为2,000m2/g以上。

3.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，所述第一碳质材料包含活性炭。

4.根据权利要求2所述的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的所述第一碳质材料，所述第一碳质材料以95重量％以上的量包含活性炭。

5.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的所述第一硫-碳复合材料和所述第二硫-碳复合材料，所述第一硫-碳复合材料的含量小于90重量％。

6.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，

7.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，基于100重量％的所述正极活性材料，所述正极活性材料以70重量％以上的量包含所述第一硫-碳复合材料和所述第二硫-碳复合材料。

8.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，所述第一硫-碳复合材料和所述第二硫-碳复合材料各自为如下中的至少一种：

9.根据权利要求1所述的锂硫电池用正极，其中，所述正极活性材料进一步包含粘合剂树脂和导电材料。

10.一种锂硫电池，所述锂硫电池包含正极、负极、介于所述正极和所述负极之间的隔膜、以及电解液，

技术总结
本发明涉及一种锂硫电池用正极。该正极包含两种类型的硫‑碳复合材料。该正极使用两种具有不同比表面积和孔体积的碳质材料。当将该正极应用于二次电池时，二次电池显示降低的初始不可逆容量以及改善的输出特性和寿命特性。

技术研发人员：朴寅台,金容辉,朴晟孝,宋明俊,李炫受,崔兰
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15