锂硫电池用正极和具有高能量密度的锂硫电池的制作方法

本发明涉及具有高能量密度的锂硫电池。本申请要求于2022年11月25日提交的韩国专利申请第10-2022-0159965号、于2022年12月23日提交的韩国专利申请第10-2022-0183586号、于2022年12月23日提交的韩国专利申请第10-2022-0183771号、于2022年12月27日提交的韩国专利申请第10-2022-0185613号、于2023年5月16日提交的韩国专利申请第10-2023-0063394号、于2023年5月31日提交的韩国专利申请第10-2023-0070299号、于2023年6月7日提交的韩国专利申请第10-2023-0073163号、于2023年6月13日提交的韩国专利申请第10-2023-0075765号的权益和优先权，所述专利申请的公开内容通过引用以其完整的形式并入本文中。

背景技术：

1、随着储能技术受到越来越多的关注，其应用范围已经扩展到各种装置，包括移动电话、平板电脑、笔记本电脑、摄像机、电动车辆(ev)和混合动力电动车辆(hev)。因此，电化学器件的研究和开发逐渐增多。在这方面，电化学装置，特别是包括锂硫电池在内的能够充电/放电的二次电池受到广泛关注。近年来，已经在电池的开发方面进行努力，以通过电极和电池的新型设计来增强容量密度和比能量。

2、在电化学装置中，锂硫(lis)电池作为由于其高能量密度而可以有潜力替代锂离子电池的下一代二次电池而备受关注。在这些电池中，将锂-硫用作正极活性材料。在放电期间，发生硫的还原反应和锂金属的氧化反应。在该过程中，硫从环状结构的s8形成线状结构的多硫化锂(li2s2、li2s4、li2s6、li2s8)，并且锂硫电池表现出渐变的放电电压，直至多硫化物(ps)完全还原成lis。

3、在锂硫电池中，使用具有高比表面积和高孔隙率的碳材料如碳纳米管作为硫载体能够导致实现高能量密度和期望的寿命特性。然而，需要另外的研究以实现用于商业化的足够的能量密度和寿命特性。

4、已尝试增加正极活性材料硫的负载以提高能量密度。然而，因为硫不导电，所以增加硫含量导致反应性和能量密度降低。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明旨在提供一种具有高负载和高能量密度的锂硫电池。

3、应当容易理解，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阐述的手段或方法及其组合来实现。

4、技术方案

5、为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供如下实施方案的正极。

6、根据第一实施方案的正极包含：

7、集电器；和

8、在集电器的至少一个表面上的正极活性材料层，

9、其中，正极活性材料层包含硫碳复合材料和粘合剂聚合物，

10、硫碳复合材料包含多孔碳材料和硫类材料，并且

11、正极活性材料层的厚度与正极活性材料层的单位面积碳重量之比为80至130μm/mg。

12、根据第二实施方案，在第一实施方案中，正极活性材料层的孔隙率可以为80体积％以上。

13、根据第三实施方案，在第一或第二实施方案中，基于正极活性材料层的总重量，单质硫(s)的量可以为60重量％以上。

14、根据第四实施方案，在第一至第三实施方案中的任一项中，多孔碳材料可以具有角状粒子形状。

15、根据第五实施方案，在第一至第四实施方案中的任一项中，多孔碳材料可以具有1.3以下的根据如下公式1的粒子形状均匀性：

16、[公式1]

17、粒子形状均匀性＝[粒子的外切圆的平均直径]/[粒子的内切圆的平均直径]。

18、根据第六实施方案，在第一至第五实施方案中的任一项中，多孔碳材料可以是通过使用离心磨机研磨原料多孔碳材料并通过网眼尺寸为50μm至100μm的筛筛分研磨后的多孔碳材料来制造的。

19、根据第七实施方案，在第一至第六实施方案中的任一项中，多孔碳材料的振实密度可以为0.09g/cm3以下。

20、根据第八实施方案，在第一至第七实施方案中的任一项中，正极活性材料层的孔隙率可以为81体积％至85体积％。

21、根据第九实施方案，在第一至第八实施方案中的任一项中，多孔碳材料可以包含通过作为一次结构体的碳纳米管的聚集而形成的二次结构体。

22、根据第十实施方案，在第一至第九实施方案中的任一项中，多孔碳材料的振实密度可以为0.07g/cm3以下。

23、根据第十一实施方案，在第一至第十实施方案中的任一项中，基于正极活性材料层的总重量，单质硫(s)的量可以为65重量％至90重量％。

24、根据第十二实施方案，在第一至第十一实施方案中的任一项中，硫(s)的负载量可以为2.9mgs/cm2以上。

25、根据本发明的另一方面，提供如下实施方案的锂硫电池。

26、根据第十三实施方案的锂硫电池包含：

27、根据第一至第十二实施方案中任一项的正极，

28、负极，

29、在正极与负极之间的隔膜，和

30、电解质。

31、根据第十四实施方案，在第十三实施方案中，正极活性材料层的单位面积碳重量和正极活性材料层的厚度各自可以是在放电至少一次之后测量的。

32、根据第十五实施方案，在第十三或第十四实施方案中，正极活性材料层的单位面积碳重量和正极活性材料层的厚度各自可以是在充电状态(soc)97％至100％下测量的。

33、根据第十六实施方案，在第十三至第十五实施方案中的任一项中，电解质与硫碳复合材料中硫(s)的重量比(el/s重量比)可以为3.5g/g以下。

34、根据第十七实施方案，在第十三至第十六实施方案中的任一项中，锂硫电池的能量密度可以为400wh/kg以上。

35、有益效果

36、根据本发明的一个方面，可以提供正极活性材料(硫)的负载高的锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池。特别地，根据本发明，可以提供正极活性材料(硫)的负载高并且通过保持并改善硫的电化学反应性而具有改善的能量密度的锂硫电池。

技术特征：

1.一种正极，所述正极包含：

2.根据权利要求1所述的正极，其中，所述正极活性材料层的孔隙率为80体积％以上。

3.根据权利要求1所述的正极，其中，基于所述正极活性材料层的总重量，单质硫(s)的量为60重量％以上。

4.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料具有角状粒子形状。

5.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料具有1.3以下的根据如下公式1的粒子形状均匀性：

6.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料是通过使用离心磨机研磨原料多孔碳材料并通过网眼尺寸为50μm至100μm的筛筛分研磨后的多孔碳材料来制造的。

7.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料的振实密度为0.09g/cm3以下。

8.根据权利要求1所述的正极，其中，所述正极活性材料层的孔隙率为81体积％至85体积％。

9.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料包含通过作为一次结构体的碳纳米管的聚集而形成的二次结构体。

10.根据权利要求1所述的正极，其中，所述多孔碳材料的振实密度为0.07g/cm3以下。

11.根据权利要求1所述的正极，其中，基于所述正极活性材料层的总重量，单质硫(s)的量为65重量％至90重量％。

12.根据权利要求1所述的正极，其中，硫(s)的负载量为2.9mgs/cm2以上。

13.一种锂硫电池，所述锂硫电池包含：

14.根据权利要求13所述的锂硫电池，其中，所述正极活性材料层的单位面积碳重量和所述正极活性材料层的厚度各自是在放电至少一次之后测量的。

15.根据权利要求13所述的锂硫电池，其中，所述正极活性材料层的单位面积碳重量和所述正极活性材料层的厚度各自是在充电状态(soc)97％至100％下测量的。

16.根据权利要求14所述的锂硫电池，其中，所述电解质与所述硫碳复合材料中所述硫(s)的重量比(el/s重量比)为3.5g/g以下。

17.根据权利要求13所述的锂硫电池，其中，所述锂硫电池的能量密度为400wh/kg以上。

技术总结本发明涉及一种锂硫电池用正极和包含其的锂硫电池，所述正极包含通过离心研磨制造的具有低振实密度的多孔碳材料，从而实现了高孔隙率，并且对于相同的碳量形成了厚的活性材料层。因此，该正极实现了具有高能量密度的锂硫电池。技术研发人员：康多暎,金潣守,金奉洙,梁胜普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：2024/7/29