[发明专利]硫碳复合材料、其制备方法以及包含所述硫碳复合材料的锂二次电池

说明书

本发明涉及一种硫碳复合材料和其制备方法，所述硫碳复合材料包含：多孔碳材料；和在所述多孔碳材料的内部和表面的至少一部分中含有的硫，其中所述多孔碳材料的内表面和外表面掺杂有碳酸酯类化合物。

技术领域

本申请要求于2017年10月30日提交的韩国专利申请号10-2017-0142268的权益，该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。

本发明涉及硫碳复合材料、其制备方法和包含所述硫碳复合材料的锂二次电池。

背景技术

近年来，对能量储存技术的关注越来越高。随着其应用领域扩展到用于移动电话、便携式摄像机、笔记本电脑、甚至是电动车辆的能量，正在越来越具体地进行对电化学装置的研究和开发。

在这方面，电化学装置是最值得关注的领域，并且其中能够充电/放电的二次电池的开发是关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和能量效率，已经对新电极和电池的设计进行了研究和开发。

在目前应用的二次电池中，在20世纪90年代早期开发的锂二次电池正受到很多关注，这是因为其优点在于：其比使用呈水溶液形式的电解液的传统电池如Ni-MH电池、Ni-Cd电池和硫酸铅电池具有高得多的工作电压和能量密度。

特别是，锂硫(Li-S)电池是使用具有S-S键(硫-硫键)的硫类材料作为正极活性材料并且使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。所述锂硫电池具有以下优点：作为正极活性材料的主要材料的硫资源非常丰富、无毒并且具有低原子量。此外，所述锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/1克硫，并且其理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的能量密度比目前所研究的其它电池系统的理论能量密度高得多(Ni-MH电池：450Wh/kg；Li-FeS电池：480Wh/kg；Li-MnO₂电池：1000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)，因此锂硫电池是迄今为止开发的电池中最有前途的电池。

在锂硫电池的放电期间，在负极(阳极)处发生锂的氧化反应并且在正极(阴极)处发生硫的还原反应。在放电之前硫具有环状S₈结构。在还原反应(放电)期间，随着S-S键断裂，S的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)期间，随着S-S键重新形成，S的氧化数增加，从而使用这样的氧化还原反应来储存和产生电能。在该反应期间，硫通过还原反应从环状S₈结构转化成线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)，并且最终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，锂硫电池的放电行为的特征为逐步地显示放电电压，这与锂离子电池不同。

然而，在锂硫电池的情况下，应当解决硫的电导率低、在充放电期间多硫化锂的溶出和体积膨胀的问题以及由此导致的低库仑效率和充电/放电所伴随的容量快速降低的问题。

在这样的锂硫电池系统中，当制造传统锂硫电池用S/CNT复合材料时，不具有导电性的硫的不均匀涂布和导电性问题会导致当电池工作时不能显示出最佳性能的问题。此外，存在的问题是，在制造S/CNT复合材料之后，存在由于比表面积减小和多硫化锂的溶出现象而存在反应性降低的问题。

因此，需要引入掺杂或涂布能够在通过涂布均匀的硫而维持比表面积的同时抑制多硫化锂的溶出的材料的方法，但是当引入有机/无机材料以维持比表面积并且抑制溶出时，一般会出现过电压和反应性显著降低的问题。

因此，需要引入一种掺杂能够减少过电压的出现并且能够提高内部反应性的材料的方法。

现有技术文献