[发明专利]使用Li2S的复合正极的结构

说明书

技术领域

本公开内容涉及覆盖有Li₂S粉末的正极结构。更具体地，本公开内容涉及覆盖有与导电材料复合(混合，complex)的Li₂S粉末的正极结构，所述正极结构能够在体积膨胀状态下保持活性物质的结构，从而通过防止在反复充电/放电循环以后由体积膨胀引起的正极结构的崩塌(collapse)来改善锂-硫电池的寿命。

背景技术

通常，硫正极在完全充电状态下是固体硫和在放电状态下是Li₂S。Li₂S的体积相当于180％的硫体积。由于因反复充电和放电引起的体积膨胀和收缩，锂-硫电池的正极结构崩塌。常规的锂-硫电池使用硫粉末作为正极的活性物质。

通过以下步骤形成电极：混合作为活性物质的硫、用于给予其导电性的导电材料和用于在溶剂中保持结构完整性的粘合剂以获得浆料，以及将浆料涂覆在集电体上。然而，当硫开始放电时，通过多硫化锂将其转化成Li₂S，因此，体积膨胀80％，并且由于这种膨胀，电极结构崩塌。

美国专利公开号2012/0094189A1(Scrosati等人)公开了锂-硫聚合物电池，其中将电解质固定到聚合物基质，并且用Li₂S-碳复合材料来制造电极。然而，Scrosati等人限于使用聚合物基质的电池，因而，并不限制本公开内容的范围，本公开内容防止在通常的锂-硫电池中由于体积膨胀引起的结构崩塌。

美国专利公开号2013-0164625公开了具有碳-硫核-壳结构的正极，用于防止由于锂-硫电池的充电/放电循环过程中产生的Li₂S引起的充电/放电效率的降低和通过不可逆势垒的电截止。然而，由于非常敏感的硫沉积过程，所以该过程控制是非常困难的。在水溶液中酸处理基于硫的离子和碳源以便在碳表面上结合作为核的基于硫的离子。另外，形成具有导电性的网络，并且此时，化学键合成核的硫和碳。

美国专利公开号2013-0224594公开了包含核-壳复合材料的电池正极组合物，其中复合材料中的每一种可以包含基于硫的核和多功能壳。提供基于硫的核从而在电池操作过程中与金属离子进行电化学反应，以在电池的放电或充电过程中储存相应的金属-硫化物形式的金属离子以及在电池的充电或放电过程中从相应的金属-硫化物释放金属离子。多功能壳部分包住基于硫的核并且由下述材料形成，该材料(i)基本上可透过相应的金属-硫化物的金属离子并且(ii)基本上不能透过电解质溶剂分子和金属多硫化物。

韩国专利公开号10-2006-0130964公开了用于具有核-壳多层结构的锂二次电池的正极活性物质。在用于锂二次电池的正极活性物质中，核部分由Li_1+aMn_2-aO_4-yA_y(A是F和S的至少一种元素，0.04≤a≤0.15，0.02≤y≤0.15)构成，以及壳部分由Li[Li_a(Mn_1-xM_x)_1-a]₂O_4-yA_y(M是选自由Fe、Co、Ni、Cu、Cr、V、Ti、和Zn组成的组中的至少一种元素，A是F或S的至少一种元素，0.01≤a≤0.333，0.01≤x≤0.6，0.02≤y≤0.15)构成。

韩国专利公开号10-2010-0085941公开了一种纳米颗粒，所述纳米颗粒具有由第一材料组成的核和由第二材料组成的层。第一材料和第二材料中的一种是包含来自周期表的第13族和第15族的离子的半导体材料，以及第一材料和第二材料中的另一种是包含选自周期表的第1至12、14、和15族中的任何一种的金属离子的金属氧化物材料。

然而，上述任何技术并不能从根本上解决在反复充电/放电循环过程中随着体积膨胀和收缩而引起的正极结构的崩塌。

在该背景技术部分中公开的以上信息仅为了增强对本发明的背景的理解，并且因此，其可以包含并不构成已在这个国家中被本领域普通技术人员所已知的现有技术的信息。

发明内容

在努力解决上述与现有技术相关的问题中完成了本发明。本公开内容改善了锂-硫电池的寿命。

硫正极在完全充电状态下是固体，而在放电状态下是Li₂S。Li₂S的体积相当于180％的硫体积。由于因反复充电和放电引起的体积膨胀和收缩，锂-硫电池的正极结构崩塌(参见图3)。