用于锂-硫电池的阴极及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本申请要求于2013年8月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0091784号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
[0002] 本申请设及用于裡-硫电池的阴极及其制备方法。
【背景技术】
[0003] 到目前为止，对开发使用裡作为阳极的高能量密度电池有着相当大的兴趣。裡金 属作为电化学电池的阳极活性材料是特别有吸引力的，原因是该金属例如与嵌裡碳阳极 (由于非电活性材料的存在而增加了阳极的重量和体积，从而降低了电池的能量密度)和具 有儀或儒电极的其他电化学体系相比重量轻且能量密度高。裡金属阳极或主要包含裡金属 的阳极比诸如裡离子电池、儀金属氨化物电池或儀儒电池的电池轻，并且提供了构造具有 高能量密度的电池的机会。运些特征对于用于便携式电子设备如移动电话和笔记本电脑 (其中为其低重量付费）的电池是高度期望的。
[0004] 用于裡电池的运些类型的阴极活性材料是公知的，运些材料包括包含硫-硫键的 含硫阴极活性材料，并且由硫-硫键的电化学裂解(还原）和重整(氧化)实现了高能量容量 和可再充电性。
[0005] 如上所述，使用裡和碱金属作为阳极活性材料并使用硫作为阴极活性材料的裡-硫电池的理论能量密度为2800Wh/kg(1675mAh)，其显著地高于其他电池体系的理论能量密 度，并且由于硫因资源丰富而廉价且为环境友好材料的优点在便携式电子设备中受到了关 注。
[0006] 然而，由于用作裡-硫电池的阴极活性材料的硫是非导体，所W存在运样的问题： 由电化学反应产生的电子难W移动，硫在氧化还原反应期间泄漏到电解质中使得电池的使 用寿命劣化，此外，当没有选择合适的电解质溶液时，裡多硫化物(其为硫的还原物)被洗脱 出来，使得硫不能再参与电化学反应。
[0007] 因此，为了使溶解在电解质溶液中的裡多硫化物的量最小化并且赋予作为非导体 的硫电极W导电性特征，开发了使用碳和硫的复合物作为阴极的技术，但裡多硫化物的洗 脱问题仍未能解决。
[000引因此，高度需要通过有效阻止裡多硫化物在裡-硫电池放电期间泄漏至电解质中 来改善循环特性的技术。
【发明内容】
[0009] 技术问题
[0010] 为了解决运些问题，本申请进行了努力W提供通过有效阻止裡多硫化物在裡-硫 电池放电期间泄漏至电解质中来改善循环特性的技术。
[00川技术方案
[0012]本申请的一个示例性实施方案提供了：
[0013] 用于裡-硫电池的阴极，其包括：
[0014] 包含硫-碳复合物的阴极活性部；W及
[0015] 设置在阴极活性部的表面的至少一部分上的阴极涂层，所述阴极涂层包含含有亲 水部分和疏水部分的两萊聚合物。
[0016] 此外，本申请的另一个示例性实施方案提供了 ：
[0017] 裡-硫电池，其包括；
[0018] 包含裡金属或裡合金作为阳极活性材料的阳极；
[0019] 用于裡-硫电池的阴极；
[0020] 设置在阴极和阳极之间的隔板(隔膜）；W及
[0021] 浸溃在阳极、阴极和隔板中并且包含裡盐和有机溶剂的电解质。
[0022] 此外，本申请的又一个示例性实施方案提供了
[0023] 制备用于裡-硫电池的阴极的方法，所述方法包括：
[0024] 形成包含硫-碳复合物的阴极活性部；W及
[0025] 在阴极活性部的表面的至少一部分上形成阴极涂层，所述阴极涂层包含含有亲水 部分和疏水部分的两亲聚合物。
[00%]有益效果
[0027] 根据本申请，通过在包含硫-碳复合物的阴极活性部表面的至少一部分上设置包 含含有亲水部分和疏水部分的两亲聚合物的外涂层，两亲聚合物可与放电期间产生的裡多 硫化物结合，并因此可抑制裡多硫化物溶解于电解质溶液中的现象，从而改善裡-硫电池的 循环特性。
【附图说明】
[0028] 图1示出了作为本申请的一个示例性实施方案，包含于阴极的阴极涂层中的两亲 聚合物阻止在裡-硫电池放电期间洗脱的裡多硫化物的硫从阴极洗脱。
[0029] 图2为示出了作为本申请的一个示例性实施方案，实施例IW及比较例1和2中的 裡-硫电池的首次放电容量的图。
[0030] 图3为示出了作为本申请的一个示例性实施方案，实施例IW及比较例1和2中的 裡-硫电池每次循环的放电容量的图。
【具体实施方式】
[0031] 下文中，将更详细地描述本申请。
[0032] 作为深入研究和重复进行多种实验的结果，本申请的发明人已确定，当在包含硫-碳复合物的阴极活性部的至少一部分上形成包含含有亲水部分和疏水部分的两亲聚合物 的阴极涂层时，同时具有亲水性和疏水性的两亲聚合物通过结合硫和碳并且保持在放电期 间产生的裡多硫化物，并因此抑制裡多硫化物溶解于电解质溶液中的现象，可W改善裡-硫 电池的循环特性，从而完成本申请。
[0033] 根据本申请一个示例性实施方案的用于裡-硫电池的阴极包括:包含硫-碳复合物 的阴极活性部；W及包含两亲聚合物的阴极涂层，所述阴极涂层设置在阴极活性部表面的 至少一部分上并且包含亲水部分和疏水部分。
[0034] 两亲聚合物是同时具有亲水部分和疏水部分的材料。两亲聚合物的实例包括聚乙 締化咯烧酬(PVP)、聚环氧乙烧(PEO)、聚乙締醇(PVA)、其共聚物等，但不限于此。
[0035]在一个具体实例中，两亲聚合物可设置在阴极活性部的表面的至少一部分上。此 夕h两亲聚合物可设置在阴极活性部的整个表面区域上。
[0036]此外，两亲聚合物设置在阴极活性部的表面上，两亲聚合物的疏水部分可取向为 朝向硫-碳复合物，并且亲水部分因此可取向为朝向其外侧。
[0037]在本申请的一个示例性实施方案中，硫-碳复合物通过将硫颗粒施用在多孔碳上 而形成。
[0038]在本申请的一个示例性实施方案中，硫-碳复合物通过溶解硫颗粒W及使硫颗粒 与碳混合而形成。
[0039]在本申请的一个示例性实施方案中，硫-碳复合物的碳和硫的含量比可为1:20至 1:1。
[0040]碳可为结晶碳或无定形碳并且不受限制，只要碳是导电碳即可，并且可为例如石 墨、炭黑、活性炭纤维、非活性炭纳米纤维、碳纳米管、碳纤维等。
[0041]在本申请的一个示例性实施方案中，阴极涂层包括孔。
[0042] 孔的平均直径可为Inm至10皿。
[0043] 当阴极涂层的孔的平均直径为Inm或更大时，包含两亲聚合物的阴极涂层的面积 足够大，使得吸引在裡-硫电池放电期间从硫-碳复合物中洗脱的裡多硫化物的特性优异， 并且可提高裡-硫电池的循环特性和容量。此外，当阴极涂层的孔的平均直径为IOwii或更小 时，裡离子在裡-硫电池充电期间容易向阴极移动，从而减少充电时间。
[0044] 基于用于裡-硫电池的阴极的总体积，阴极涂层的孔隙率可为50%至95%。更具体 地，基于裡-硫电池阴极的总体积，阴极涂层的孔隙率可为70%至95%。
[0045] 在本说明书的一个示例性实施方案中，阴极涂层的厚度为IOnm至化m。
[0046]在本申请的一个示例性实施方案中，阴极涂层设置在阴极活性部的整个表面区域 上。
[0047]在本申请的一个示例性实施方案中，用于裡-硫电池的阴极的形式为板式或杆式。
[0048]当用于裡-硫电池的阴极的形式为板式时，优选的是，阴极涂层设置在阴极活性部 表面中暴露于电解质的至少一部分上。
[0049]当用于裡-硫电池的阴极的形式为杆式时，优选的是，阴极涂层设置在阴极活性部 的整个表面部分上。
[0050] 在本申请的一个示例性实施方案中，基于100重量份的阴极活性部的硫-碳复合 物，阴极涂层的两亲聚合物的含量为0.01重量份至10重量份。
[0051]在本申请的一个示例性实施方案中，阴极活性部还可包含选自过渡金属元素、第 IIIA族元素、第IVA族元素、运些元素的硫化物W及运些元素与硫的合金中的一种或更多种 添加剂。
[0052]过渡金属元素的实例包括Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、YJr、Nb、Mo、Tc、Ru、 化、口(1、〇3、打、？1、411、化等，第1114族元素的实例包括41、6曰、111、1'1等，并且第1￥4族元素的 实例包括Ge、Sn、化等，但实例不限于此。
[0053]阴极活性部还可包含阴极活性材料，或任选地伴有添加剂、用于促进电子在阴极 中移动的导电性导电材料和用于使阴极活性材料与集电体良好附接的粘合剂。
[0054] 导电材料没有特别限制，但是可W将导电材料，例如石墨基材料如KS6W及碳基材 料如Super-P、超导电乙烘炭黑(Denkablack)和炭黑，或者导电聚合物如聚苯胺、聚嚷吩、 聚乙烘和聚化咯单独或者混合使用。
[0055] 作为粘合剂，可使用聚（乙酸乙締醋）；聚乙締醇;聚环氧乙烧;聚乙締基化咯烧酬； 烷基化聚环氧乙烧;交联聚环氧乙烧;聚乙締酸;聚甲基丙締酸甲醋;聚偏二氣乙締;聚六氣 丙締和聚偏二氣二締的共聚物（商品名：Kynar);聚（丙締酸乙醋）；聚四氣乙締；聚氯乙締； 聚丙締腊;聚乙締基化晚;聚苯乙締;其衍生物、共混物和共聚物等。
[0056] 关于粘合剂的含量，可WW基于包含阴极活性材料的混合物的总重量的0.5重 量％至30重量％的量添加粘合剂。当粘合剂的含量少于0.5重量％时，阴极的物理性质劣 化，并因此存在阴极中活性材料和导电材料被消除的问题，而当含量多于30重量％时，阴极 中活性材料与导电材料的比例相对降低，因此可使电池容量降低，运不是优选的。
[0057] 本申请提供了包含上述用于裡-硫电池的阴极的裡-硫电池。
[0058] 设置在阴极和阳极之间的隔板使阴极和阳极彼此隔离或绝缘并且能够在阴极和 阳极之间传输裡离子，并且可由多孔的不导电或绝缘材料构成。该隔板可为独立的构件如 膜，并且还可为附加到阴极和/或阳极的涂层。
[0059] 构成隔板的材料的实例包括聚締控如聚乙締和聚丙締、玻璃纤维滤纸和陶瓷材 料，但不限于此，并且其厚度可为约如m至50皿，特别地为约如m至约25皿。
[0060] 在本申请的一个示例性实施方案中，裡盐为选自LiSCN、Li化、LiI、LiPF6、