[发明专利]含聚多巴胺的电解液和包含所述电解液的锂硫电池

说明书

本发明涉及包含聚多巴胺的电解液和包含所述电解液的锂硫电池，并且更具体地涉及包含在电解液中的聚多巴胺吸附从锂硫电池的正极溶出的多硫化锂的技术。当使用本发明的其中添加了聚多巴胺粒子的电解液时，分散在所述电解液中的所述聚多巴胺粒子起到吸附在充放电过程中从正极溶出的多硫化锂的作用，由此能够抑制其扩散，即抑制穿梭反应，从而改善所述锂硫电池的容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求于2016年5月2日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0054164号的优先权和权益，并通过引用的方式将其全部内容并入本文中。

本发明涉及包含聚多巴胺的电解液和包含所述电解液的锂硫电池，并且特别地涉及包含在电解液中的聚多巴胺吸附从锂硫电池的正极溶出的多硫化锂的技术。

背景技术

近年来，随着电子产品、电子设备、通信设备等快速地变得越来越小且越来越轻，并且考虑到环境问题而迫切需要电动车辆，因此对改善用作这些产品的电源的二次电池的性能的要求大大增加。其中，锂二次电池由于其高能量密度和高标准电极电位而作为高性能电池受到极大关注。

特别地，锂硫(Li-S)电池是使用具有硫-硫(S-S)键的硫系材料作为正极活性材料并使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。作为正极活性材料的主要材料的硫具有资源非常丰富、无毒且原子量低的优势。此外，锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/g-硫且理论能量密度为2600Wh/kg，这与目前研究的其他电池系统的理论能量密度(Ni-MH电池：450Wh/kg，Li-FeS电池：480Wh/kg，Li-MnO₂电池：1000Wh/kg，Na-S电池：800Wh/kg)相比是非常高的，因此是迄今开发的电池中最有前景的电池。

在锂硫(Li-S)电池的放电反应期间，在负极(阳极)中发生锂的氧化反应，并且在正极(阴极)中发生硫的还原反应。硫在放电之前具有环状的S₈结构，并且使用氧化还原反应来储存和产生电能，其中在还原反应(放电)期间S的氧化数随S-S键的断裂而降低，并且在氧化反应(充电)期间S的氧化数随S-S键的再次形成而升高。在这样的反应期间，通过还原反应将硫从环状的S₈转化成线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4和2)，结果，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(Li-S)电池的放电行为显示出与锂离子电池不同的阶段性的放电电压。

在诸如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂的多硫化锂中，具有高的硫氧化数的多硫化锂(Li₂S_x，通常x4)特别容易溶解在亲水性电解液中。溶解在电解液中的多硫化锂由于浓度差而从生成了多硫化锂的正极扩散开。如上所述从正极溶出的多硫化锂被冲到正极反应区域之外，使得不能逐渐还原成硫化锂(Li₂S)。换句话说，在正极和负极外部以溶解状态存在的多硫化锂不能参与电池的充放电反应，因此参与正极中的电化学反应的硫物质的量减少，结果，这成为引起锂硫电池的充电容量降低和能量减少的主要因素。

此外，除了漂浮在或浸入电解液中的多硫化锂之外，扩散到负极的多硫化锂直接与锂反应并以Li₂S的形式固定在负极表面上，这导致腐蚀锂金属负极的问题。

为了使这样的多硫化锂的溶出最小化，一直在对改变用硫粒子填充各种碳结构的正极复合体的形态进行研究，然而，这样的方法在制备时是复杂的并且没有解决根本问题。

发明内容

技术问题

如上所述，锂硫电池的问题在于，由于多硫化锂从正极中溶出并扩散，因此电池容量和寿命特性随着充放电循环的进行而下降。