[发明专利]硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂硫电池，所述硫碳复合物包含通过酸处理进行了表面改性的碳类材料。根据本发明，所述硫碳复合物包含经由表面改性从而在其表面上具有能够吸附多硫化物的羟基基团和羧基基团的碳类材料，由此在所述硫碳复合物用作锂硫电池的正极活性材料时，防止了多硫化物的溶出。因此，能够改善电池的容量特性和寿命特性。另外，根据本发明的硫碳复合物制备方法，能够通过利用硝酸和硫酸的混合溶液进行处理的简单工序改性碳类材料的表面，所述表面上官能团的量可以根据硝酸和硫酸的混合比来控制。

技术领域

本申请要求于2016年8月11日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2016-0102180号的优先权和权益，通过参考将其全部内容并入本文中。

本发明涉及一种硫碳复合物、其制备方法和包含其的锂硫电池，所述硫碳复合物包含通过酸处理对表面进行了改性的碳类材料。

背景技术

随着便携式电子设备、电动车辆和大容量电力存储系统近来的发展，出现了对大容量电池的需求。锂硫电池是使用具有硫-硫键(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，且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1672mAh/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，因此作为具有高能量密度性能的电池而受到关注。

硫被用作锂硫电池的正极活性材料，然而，硫是非导体，并且由电化学反应产生的电子的迁移困难，因此，通常使用将硫与导电材料碳复合的硫碳复合物以补偿非导体性质。

然而，简单的硫碳复合物存在的问题是，作为中间物的多硫化锂在电池反应期间溶出，导致活性材料损失。除了漂浮或浸渍在液体电解质中之外，如上所述溶出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，并且造成腐蚀锂金属负极的问题。

这样的多硫化锂的溶出对电池的容量保持率和寿命性能产生不利的影响，因此，已经进行了各种尝试以抑制多硫化锂的溶出。作为一个实例，韩国专利1379716号公开了一种通过用氢氟酸处理石墨烯以在石墨烯表面上形成孔并在所述孔中生长硫粒子来制备锂硫碳复合物的方法。然而，所述方法存在的问题是材料成本高且工序复杂，这不适合加工。

除此之外，还已经公开了向正极混合物中添加具有吸附硫的性能的添加剂的方法，然而，存在的问题是，这里使用的添加剂是高价材料，例如不适合商业化的过渡金属硫属元素化物，且由于添加剂的添加而导致正极重量不可避免地增加，并且单位重量的容量难以提高。

因此，为了使锂硫电池商业化，需要开发一种在解决多硫化锂溶出问题的同时使用简单的工序并在低制备成本下制备的硫碳复合物，从而可以大量生产。

现有技术文献

韩国专利1379716号，lithium-sulfur secondary battery having electrodewhich is constructed with graphene composite including sulfur and a formingmethod thereof(具有由含硫的石墨烯复合物构造的电极的锂硫二次电池及其形成方法)

发明内容

技术问题

鉴于上述情况，本发明的发明人通过使用将硝酸和硫酸混合的水溶液对碳类材料的表面进行改性，然后将所得物与硫复合而制备了硫碳复合物，并且已经确认，按上述制备的硫碳复合物在用作锂硫电池的正极活性材料时表现出优异的导电性和抑制多硫化锂溶出的效果。

因此，本发明的一个方面提供一种硫碳复合物。