具有改善的能量密度和功率的锂硫电池的制作方法

1.本技术要求基于2021年11月23日提交的韩国专利申请第10-2021-0161896号的优先权权益，将所述专利申请的全部内容并入作为本说明书的一部分。
2.本发明涉及一种具有改善的能量密度和功率的锂硫电池，更具体地，涉及一种具有改善的能量密度和功率的锂硫电池，所述锂硫电池通过将正极中硫的质量与电解质的质量之比和正极的硫负载值设定在特定范围内而能够同时实现300wh/kg以上的每电池重量的能量密度和2kw/kg以上的最大功率。


背景技术：

3.随着人们对能量存储技术的兴趣的日益增加，因为该技术的应用从移动电话、平板电脑、笔记本电脑和摄像机的能源甚至扩展到电动车辆(ev)和混合动力电动车辆(hev)的能源，所以对电化学装置的研究和开发正在逐渐增加。电化学装置领域是这方面最受关注的领域。其中，能够充电/放电的诸如锂硫电池的二次电池的开发成为了关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和比能量，已经对新型电极和电池的设计进行了研究和开发。
4.在这些电化学装置中，将硫用作正极活性材料的锂硫电池(li-s电池)具有高的单位重量的能量密度(比能量密度)，由此作为能够代替锂离子电池的下一代二次电池而备受关注。在这种锂硫电池中，在放电期间发生硫的还原反应和锂金属的氧化反应。此时，硫从具有环状结构的s8形成具有直链结构的多硫化锂(lips)。这种锂硫电池的特点在于，直到多硫化物完全还原成li2s为止，显示出逐步放电的电压。
5.然而，锂硫电池商业化的障碍之一是，由于作为正极活性材料包含的硫的电化学转化反应而导致功率低。另一方面，在现有的锂离子电池中，进行其中锂离子嵌入正极/负极结构中的嵌入反应，由此功率相对高于锂硫电池的功率。然而，如上所述，锂硫电池(li-s电池)的单位重量的能量密度高，并且与锂离子电池相比，还具有单位重量的能量密度更高的优点。
6.因此，有必要改变锂硫电池的设计，从而在相同的单位重量的能量密度下具有最大功率。此外，特别是为了应用于诸如城市空中交通工具(uam)的服务系统中所使用的飞行器，需要将单位重量的能量密度提高到300wh/kg以上(锂离子电池为小于300wh/kg)，同时还需要将最大功率提高到通常所需的2kw/kg以上。


技术实现要素：

7.技术问题
8.因此，本发明的一个目的在于提供一种具有改善的能量密度和功率的锂硫电池，所述锂硫电池通过将正极中硫的质量与电解质的质量之比和正极的硫负载值设定在特定范围内而能够同时实现300wh/kg以上的每电池重量的能量密度和2kw/kg以上的最大功率。
9.技术方案
10.为了实现上述目的，本发明提供一种锂硫电池，所述锂硫电池包含：含有硫作为正极活性材料的正极、锂金属负极和电解质，其中，电池满足如下数学式1：
11.[数学式1]
[0012]
1≤es/l≤1.4
[0013]
其中，es为通过将电解质的质量(g)除以正极中所含的硫的质量(g)而获得的值，并且l为正极的硫负载值且其单位为mah/cm2。
[0014]
有益效果
[0015]
根据本发明的具有改善的能量密度和功率的锂硫电池，所述锂硫电池具有如下优点：通过将正极中硫的质量与电解质的质量之比和正极的硫负载值设定在特定范围内而同时实现300wh/kg以上的每电池重量的能量密度和2kw/kg以上的最大功率。
附图说明
[0016]
图1是显示es/l值随正极的硫负载值的变化的图。
[0017]
图2是表示es/l值随正极的硫负载值的变化的图。
[0018]
图3是显示锂硫电池的能量密度和功率与es/l值的关系的图。
[0019]
图4是显示锂硫电池的功率与es/l值的关系的图。
具体实施方式
[0020]
在下文中，将对本发明进行详细说明。
[0021]
根据本发明的具有改善的能量密度和功率的锂硫电池包含：含有硫作为正极活性材料的正极、锂金属负极和电解质，其中，电池满足如下数学式1：
[0022]
[数学式1]
[0023]
1≤es/l≤1.4
[0024]
其中，es为通过将电解质的质量(g)除以正极中所含的硫的质量(g)而获得的值，并且l为正极的硫负载值且其单位为mah/cm2。
[0025]
在这些电化学装置中，将硫用作正极活性材料的锂硫电池(li-s电池)具有高的单位重量的能量密度(比能量密度)，由此作为能够代替锂离子电池的下一代二次电池而备受关注。然而，锂硫电池具有由于作为正极活性材料包含的硫的电化学转化反应而导致功率低的问题。另一方面，在现有的锂离子电池中，进行其中锂离子嵌入正极/负极结构中的嵌入反应，由此功率相对高于锂硫电池的功率。然而，如上所述，锂硫电池(li-s电池)的单位重量的能量密度高，并且与锂离子电池相比，还具有单位重量的能量密度更高的优点(锂离子电池的单位重量的能量密度小于300wh/kg)。
[0026]
因此，本发明的申请人已经改变锂硫电池的设计，从而在相同的单位重量的能量密度下具有最大功率，特别是为了应用于诸如城市空中交通工具(uam)的服务系统中所使用的飞行器，本发明的申请人已经开发一种锂硫电池，其中将单位重量的能量密度提高到300wh/kg以上，同时将最大功率提高到通常所需的2kw/kg以上。
[0027]
在下文中，将更详细地描述本发明。
[0028]
如上所述，本发明的具有改善的能量密度和功率的锂硫电池满足如下数学式1：
[0029]
[数学式1]
[0030]
1≤es/l≤1.4
[0031]
其中，es为通过将电解质的质量(g)除以正极中所含的硫的质量(g)而获得的值，并且l为正极的硫负载值(单位：mah/cm2)。此外，如果es/l的值小于1，则存在电解质的含量减少，引起大的过电压并且功率迅速降低的问题。此外，如果es/l的值超过1.4，则存在电池的单位重量的能量密度降低的问题。
[0032]
在这种情况下，es的值优选在2≤es《3.7的范围内。此外，l的值优选在2≤l≤2.6的范围内。相应地，如果l的值为2，则es的值应在2≤es≤2.8的范围内，并且如果l的值为2.6，则es的值应在2.6≤es≤3.64的范围内。如果es的值小于2，则电池的能量密度可能较高，但功率迅速降低。此外，如果es的值为3.7以上，则电池的功率可能高，但存在能量密度没有形成为高于锂离子电池的能量密度(小于300wh/kg)的问题。
[0033]
如上所述，如果通过设定es值的范围和l值的范围，使es/l的值在1≤es/l≤1.4的范围内，则锂硫电池的能量密度为300wh/kg以上，同时，最大功率也为通常所需的2kw/kg以上，因此在相同的单位重量的能量密度下，电池能够成为具有最大功率的锂硫电池。与此相关的具体实验数据将示于后述的实施例中。
[0034]
更具体地，当l的值为2≤l《2.5时，电池的能量密度为300wh/kg以上且小于350wh/kg。此外，在这种情况下，功率的值为2至2.6kw/kg。此外，如果l的值为2.5≤l≤2.6，则电池的能量密度为300至350wh/kg。此外，在这种情况下，功率的值为大于2kw/kg至2.6kw/kg。此外，如果es/l的值为1且l的值为2.5≤l≤2.6，则电池的能量密度为350wh/kg。此外，在这种情况下，功率的值为超过2kw/kg至2.3kw/kg。
[0035]
在下文中，将对本发明的锂硫电池中所包含的电解质、正极、负极和隔膜各自进行详细说明。
[0036]
首先，本发明的锂硫电池中所含的电解质包含第一溶剂、第二溶剂和锂盐。第一溶剂包含含有一个以上双键且同时含有氧原子和硫原子中的任一种的杂环化合物。因为该杂环化合物具有由于杂原子(氧原子或硫原子)的孤对电子的离域而难以溶解盐的性质，所以在电池的初始放电阶段中通过杂环化合物的开环反应在锂类金属(负极)的表面上形成聚合物保护膜(固体电解质界面，sei层)，由此可以抑制锂枝晶的形成，此外，通过减少电解液在锂类金属的表面上的分解和随后的副反应，可以改善锂硫电池的寿命特性。
[0037]
即，本发明的杂环化合物包含至少一个双键从而在锂类金属的表面上形成聚合物保护膜，并且还含有杂原子(氧原子或硫原子)从而通过使杂环化合物具有极性来表现出诸如提高与电解液中其它溶剂的亲和性的效果。
[0038]
杂环化合物可以为3至15元、优选为3至7元、更优选为5至6元的杂环化合物。此外，杂环化合物可以为用选自如下中的至少一种取代或未取代的杂环化合物：具有1至4个碳原子的烷基、具有3至8个碳原子的环烷基、具有6至10个碳原子的芳基、卤素基团、硝基(-no2)、氨基(-nh2)和磺酰基(-so2)。此外，杂环化合物可以为杂环化合物与如下中的至少一种的多环化合物：具有3至8个碳原子的环烷基和具有6至10个碳原子的芳基。
[0039]
当用具有1至4个碳原子的烷基取代杂环化合物时，这是优选的，因为自由基得以稳定并且能够抑制电解液之间的副反应。此外，当用卤素基团或硝基取代时，这是优选的，因为能够在锂类金属的表面上形成功能性保护膜，此时，所形成的功能性保护膜作为致密的保护膜而稳定，能够使锂类金属均匀地沉积并具有其能够抑制多硫化物与锂类金属之间
的副反应的优点。
[0040]
杂环化合物的具体实例可以包括选自如下中的至少一种：呋喃、2-甲基呋喃、3-甲基呋喃、2-乙基呋喃、2-丙基呋喃、2-丁基呋喃、2,3-二甲基呋喃、2,4-二甲基呋喃、2,5-二甲基呋喃、吡喃、2-甲基吡喃、3-甲基吡喃、4-甲基吡喃、苯并呋喃、2-(2-硝基乙烯基)呋喃、噻吩、2-甲基噻吩、2-乙基噻吩、2-丙基噻吩、2-丁基噻吩、2,3-二甲基噻吩、2,4-二甲基噻吩和2,5-二甲基噻吩，其中，优选使用2-甲基呋喃作为第一溶剂。
[0041]
相对于本发明的锂二次电池用电解液中所包含的100体积比的全部有机溶剂(即，第一溶剂+第二溶剂)，包含这种杂环化合物的第一溶剂的含量可以为5以上且小于95体积比，优选为10至80体积比，更优选为15至60体积比(剩余的体积比对应于第二溶剂)。如果相对于电解质中所包含的100体积比的全部有机溶剂，第一溶剂的含量为小于5体积比，则减少多硫化物的溶出量的能力下降，由此可能存在不能抑制电解液的电阻升高，或者在锂类金属表面上未完全形成保护膜的问题。此外，如果相对于100体积比的本发明的全部有机溶剂，第一溶剂的含量为95体积比以上，则存在电池的容量和寿命可能由于电解液和锂类金属的表面电阻增加而降低的担忧。
[0042]
第二溶剂包含醚类化合物、酯类化合物、酰胺类化合物和碳酸酯类化合物中的至少一种。第二溶剂不仅用于溶解锂盐使得电解液具有锂离子传导性，而且用于溶出作为正极活性材料的硫，由此使与锂的电化学反应顺利进行。碳酸酯类化合物可以为直链碳酸酯类化合物或环状碳酸酯类化合物。
[0043]
醚类化合物的具体实例可以为但不限于选自如下中的至少一种：二甲醚、二乙醚、二丙醚、甲乙醚、甲丙醚、乙丙醚、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇甲乙醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇二乙醚、三乙二醇甲乙醚、四乙二醇二甲醚、四乙二醇二乙醚、四乙二醇甲乙醚、聚乙二醇二甲醚、聚乙二醇二乙醚和聚乙二醇甲乙醚，其中，优选使用二甲氧基乙烷作为第二溶剂。
[0044]
此外，酯类化合物可以为但不限于选自如下中的至少一种：乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、γ-戊内酯、γ-己内酯、σ-戊内酯和ε-己内酯。此外，酰胺类化合物可以为本领域中使用的常规酰胺类化合物。
[0045]
此外，直链碳酸酯类化合物可以为但不限于选自如下中的至少一种：碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二丙酯(dpc)、碳酸乙甲酯(emc)、碳酸甲丙酯(mpc)和碳酸乙丙酯(epc)。
[0046]
此外，环状碳酸酯类化合物可以为但不限于选自如下中的至少一种：碳酸亚乙酯(ec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸1,2-亚丁酯、碳酸2,3-亚丁酯、碳酸1,2-亚戊酯、碳酸2,3-亚戊酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯及其卤化物(碳酸氟代亚乙酯(fec)等)。
[0047]
锂盐是用于提高离子传导性的电解质盐，并且可以不受限制地使用，只要所述锂盐是本领域中常用的即可。锂盐的实例可以为选自如下中的至少一种：licl、libr、lii、liclo4、libf4、lib
10
cl
10
、lipf6、licf3so3、licf3co2、lic4bo8、liasf6、lisbf6、lialcl4、ch3so3li、cf3so3li、(cf3so2)2nli、(c2f5so2)2nli、(so2f)2nli、(cf3so2)3cli、氯硼烷锂、具有4个以下碳原子的低级脂族羧酸锂、四苯基硼酸锂和酰亚胺锂，其中，优选使用lifsi((so2f)2nli)。此外，作为本发明的一个实施方案，电解液可以呈不包含litfsi((cf3so2)2nli)的形式。
[0048]
锂盐的浓度可以考虑离子传导性等来确定，可以为例如0.1至4m，优选为0.2至2m，更优选为0.5至2m。如果锂盐的浓度小于上述范围，则难以确保适合于运行电池的离子传导性。如果锂盐的浓度超过上述范围，则电解质的粘度增加，使得锂离子的迁移率劣化，或者锂盐本身的分解反应增加，从而使电池的性能劣化。
[0049]
此外，相对于电解质的总重量，锂盐的含量可以为2至45重量％，优选为4至30重量％，更优选为8至25重量％。如果相对于电解质的总重量，锂盐的含量小于2重量％，则存在的担忧在于，由于锂离子传导性不足而可能出现离子迁移阻力增加的问题。如果锂盐超过45重量％，同样地，可能存在锂离子传导性降低，同时，电解质的粘度增加，从而传质阻力增加的问题。
[0050]
此外，本发明的锂硫电池中所包含的电解质可以根据需要进一步包含选自如下中的至少一种添加剂：硝酸锂(lino3)、硝酸钾(kno3)、硝酸铯(csno3)、硝酸镁(mg(no3)2)、硝酸钡(ba(no3)2)、亚硝酸锂(lino2)、亚硝酸钾(kno2)和亚硝酸铯(csno2)。
[0051]
接下来，本发明的锂硫电池中所包含的正极包含正极活性材料和粘合剂，但不包含通常与正极活性材料和粘合剂一起使用的导电材料，从而能够实现能量密度为300wh/kg以上的锂硫电池。换言之，正极包含正极活性材料和粘合剂，并且不包含除了正极活性材料中所包含的碳材料以外的导电材料。此外，正极可以是其中含有正极活性材料和粘合剂的基底固体位于集电器上的正极。
[0052]
正极活性材料可以为能够应用于常规锂二次电池的正极活性材料，并且例如可以包含单质硫(s8)、硫类化合物或其混合物。具体地，硫类化合物可以为li2sn(n≥1)、有机硫化合物或碳-硫复合材料((c2s
x
)n：x＝2.5至50，n≥2)。此外，正极活性材料可以优选包含硫-碳复合材料。
[0053]
硫-碳复合材料的粒子尺寸可以为1至100μm。如果硫-碳复合材料的粒子尺寸小于1μm，则存在粒子之间的电阻增加并且在锂-硫电池的电极中发生过电压的问题。如果粒子尺寸超过100μm，则单位重量的表面积减少，由此电极中用电解质润湿的面积和与锂离子的反应位点减少，并且相对于复合材料的尺寸的电子转移量减少，使得反应可能延迟，结果，电池的放电容量可能降低。
[0054]
基于正极的总重量，硫(s)的含量可以为60至80重量％，优选为67.5至75重量％。常规锂硫电池的正极中，相对于正极的总重量，硫的含量为约40至60重量％，但尽管事实上本发明使用的硫含量显著高于此，但是本发明在本发明的电解质条件下仍显示约1,550mah/g以上的初始放电容量。如果相对于正极的总重量，硫的用量小于60重量％，则可能存在电池的能量密度降低的问题。如果硫的用量超过80重量％，则可能存在电极中的导电性降低并且电极的稳定性降低的问题。
[0055]
构成硫-碳复合材料的碳材料(或硫负载材料)具有孔隙率，特别地，因为用作本发明的正极活性材料的碳材料具有比表面积高(3,000m2/g以上)且孔隙率高(孔体积：0.7至3cm3/g)的特性，所以可以在上述电解质中在高容量(1,575至1,675mah/g)下运行。
[0056]
作为多孔碳材料，可以示例满足孔体积为0.7至3cm3/g的所有碳材料，具体地，可以示例选自如下中的至少一种；石墨；石墨烯；还原型氧化石墨烯(rgo)；炭黑如丹卡黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉黑、灯黑和热裂法炭黑；碳纳米管(cnt)如单壁碳纳米管(swcnt)和多壁碳纳米管(mwcnt)；碳纤维如石墨纳米纤维(gnf)、碳纳米纤维(cnf)和活性炭纤维
(acf)；以及满足孔体积为0.7至3cm3/g的活性炭，并且所述碳材料的形状可以为球形、棒形、针状、板状、管型或块型。
[0057]
基于100重量份的正极的总重量，包含硫和碳材料的正极活性材料的含量可以为80至99重量份，优选为85至97重量份。如果相对于100重量份的正极的总重量，正极活性材料的含量小于80重量份，则存在电池的能量密度降低的问题。如果正极活性材料的含量超过99重量份，则可能存在电极的稳定性下降的问题。
[0058]
粘合剂是有助于正极活性材料与集电器等之间的结合的组分，例如可以为但不限于选自如下中的至少一种：聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚偏二氟乙烯-聚六氟丙烯共聚物(pvdf/hfp)、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚乙烯醚、聚乙烯、聚环氧乙烷、烷基化的聚环氧乙烷、聚丙烯、聚(甲基)丙烯酸甲酯、聚(甲基)丙烯酸乙酯、聚四氟乙烯(ptfe)、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡啶、聚乙烯基吡咯烷酮、丁苯橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙(epdm)橡胶、磺化epdm橡胶、苯乙烯-丁烯橡胶、氟橡胶、羧甲基纤维素(cmc)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素及其混合物。
[0059]
基于100重量份的正极的总重量，粘合剂的添加量通常为1至15重量份。如果粘合剂的含量小于1重量份，则正极活性材料与集电器之间的粘合强度可能不足。如果粘合剂的含量超过15重量份，则粘合强度得到改善，但正极活性材料的含量可能相应减少，从而降低电池的容量。
[0060]
此外，可以将填料选择性地添加到本发明的正极中作为用于抑制正极膨胀的组分。对这种填料没有特别限制，只要所述填料能够抑制电极的膨胀而不在电池中引起的化学变化即可，并且其实例可以包括：烯烃类聚合物如聚乙烯和聚丙烯；纤维状材料如玻璃纤维和碳纤维。
[0061]
将正极活性材料和粘合剂分散并混合在分散介质(溶剂)中以形成浆料，并且可以将该浆料涂布在正极集电器上，随后将其干燥并辊压以制备正极。分散介质可以为但不限于n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、乙醇、异丙醇、水或其混合物。
[0062]
正极集电器可以为但不必限于：铂(pt)，金(au)，钯(pd)，铱(ir)，银(ag)，钌(ru)，镍(ni)，不锈钢(sts)，铝(al)，钼(mo)，铬(cr)，碳(c)，钛(ti)，钨(w)，ito(in掺杂的sno2)，fto(f掺杂的sno2)或其合金，或者其表面经碳(c)、镍(ni)、钛(ti)或银(ag)等处理过的铝(al)或不锈钢。正极集电器的形状可以为箔、膜、片、冲压形式、多孔体、发泡体等的形式。
[0063]
负极为锂类金属，并且可以进一步包含在锂类金属一侧上的集电器。集电器可以为负极集电器。对负极集电器没有特别限制，只要所述负极集电器具有高导电性而不在电池中引起化学变化即可，并且可以选自铜、铝、不锈钢、锌、钛、银、钯、镍、铁、铬及其合金和组合。该不锈钢可以用碳、镍、钛或银表面处理，并且该合金可以为铝-镉合金。此外，可以使用烧结碳、经导电材料表面处理过的非导电聚合物或导电聚合物。通常，将薄铜箔用作负极集电器。
[0064]
此外，负极集电器的形状可以为各种形式，例如在其表面上具有或不具有微细凹凸的膜、片、箔、网、多孔体、发泡体、无纺布等。此外，负极集电器的厚度在3至50μm的厚度范围内。如果负极集电器的厚度小于3μm，则集电效果降低。另一方面，如果厚度超过50μm，则当折叠然后组装电池时，存在可加工性降低的问题。
[0065]
锂类金属可以为锂或锂合金。在这种情况下，锂合金含有能够与锂合金化的元素，具体地，锂合金可以为锂与选自如下中的至少一种的合金：si、sn、c、pt、ir、ni、cu、ti、na、k、rb、cs、fr、be、mg、ca、sr、sb、pb、in、zn、ba、ra、ge和al。锂类金属可以呈片或箔的形式，在某些情况下，可以呈其中锂或锂合金通过干式工序沉积或涂覆在集电器上的形式，或者可以呈其中呈粒子相的金属和合金通过湿式工序等沉积或涂覆的形式。
[0066]
可以使常规隔膜介于正极与负极之间。隔膜是具有将电极物理隔开的功能的物理隔膜，并且能够不受特别限制地使用，只要所述隔膜作为常规隔膜使用即可，特别地，对电解质中的离子迁移的阻力低并且对电解液的浸渍能力优异的隔膜是优选的。此外，隔膜能够在使正极和负极彼此隔开或绝缘的同时在正极与负极之间传输锂离子。隔膜可以由多孔、非导电或绝缘材料制成。隔膜可以为诸如膜的独立构件或添加到正极和/或负极的涂层。
[0067]
能够用作隔膜的聚烯烃类多孔膜的实例可以为单独由选自如下中的任意聚合物或其混合物形成的膜：聚乙烯如高密度聚乙烯、直链低密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯；以及聚烯烃类聚合物如聚丙烯、聚丁烯和聚戊烯。能够用作隔膜的无纺布的实例是单独由如下聚合物或其混合物形成的无纺布：聚苯醚、聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚缩醛、聚醚砜、聚醚醚酮、聚酯等。这种无纺布包含以纤维形式形成多孔布的无纺布，即由长纤维构成的纺粘或熔喷无纺布。
[0068]
对隔膜的厚度没有特别限制，但优选在1至100μm、更优选在5至50μm的范围内。如果隔膜的厚度小于1μm，则不能保持机械性能。如果隔膜的厚度超过100μm，则隔膜起电阻层的作用，从而使电池的性能劣化。对隔膜的孔尺寸和孔隙率没有特别限制，但优选孔尺寸为0.1至50μm且孔隙率为10至95％。如果隔膜的孔尺寸小于0.1μm或孔隙率小于10％，则隔膜起电阻层的作用。如果隔膜的孔尺寸超过50μm或孔隙率超过95％，则不能保持机械性能。
[0069]
包含如上所述的电解质、正极、负极和隔膜的本发明的锂硫电池能够通过使正极面向负极，使隔膜介于其间，然后注入电解液的工序来制造。
[0070]
另一方面，根据本发明的锂硫电池应用于用作小型装置的电源的电池单体，而且还能够特别适合用作作为中大型装置的电源的电池模块的单元电池。在这方面，本发明还提供一种包含电连接(串联或并联)的两个以上锂硫电池的电池模块。当然，考虑到电池模块的用途和容量，可以对电池模块中所包含的锂硫电池的数量进行各种调整。此外，本发明提供一种电池组，其中，电池模块根据本领域中的常规技术电连接。电池模块和电池组可以用作如下中的任一种以上中大型装置的电源：电动工具；电动车辆类，包括电动车辆(ev)、混合动力电动车辆(hev)和插电式混合动力电动车辆(phev)；电动卡车；电动商用车辆；或者电力储存系统，但不限于此。然而，可以优选的是，本发明的锂硫电池为用作城市空中交通工具(uam)的飞行器的电池。
[0071]
优选实施方案
[0072]
在下文中，提供了优选的实例以帮助理解本发明，但如下实例仅例示本发明，并且对本领域技术人员来说明显的是，在本发明的范围和主旨内，各种变化和变体是可能的，并且这些变化和变体落入所附权利要求书的范围内也是不言而喻的。
[0073]
[制造例]锂硫电池的制造
[0074]
电解质的制备
[0075]
首先，将lifsi(锂盐)溶解在通过将2-甲基呋喃(第一溶剂)和二甲氧基乙烷(第二溶剂)以5：5的体积比(体积/体积)混合而获得的有机溶剂中，使得lifsi的浓度为0.75m，从而制备电解质。
[0076]
正极的制造
[0077]
将95重量份作为正极活性材料的硫-碳复合材料(s：c＝70：30重量比)(基于正极的总重量，单独的硫的含量设定为67.5重量％，作为碳材料，使用孔体积为1.8cm3/g的活性炭)和5重量份作为粘合剂的丁苯橡胶/羧甲基纤维素(sbr：cmc＝7：3)混合以制备正极用浆料组合物，然后将所制备的浆料组合物涂覆在集电器(al箔)上，在50℃下干燥12小时，并用辊压机加压，以制备正极(此时，电极的孔隙率设定为65％)。
[0078]
锂硫电池的制造
[0079]
将所制备的正极和厚度为150μm的锂金属负极定位为面向彼此，使聚乙烯(pe)隔膜介于其间，并注入所制备的电解质，以制造硬币电池型锂硫电池。另一方面，在电池的制造中，正极以φ15冲压并加以使用，聚乙烯隔膜以φ19冲压并加以使用，并且锂金属以φ16冲压并加以使用。
[0080]
[实施例]锂硫电池的制造
[0081]
以上述制造例中制造的锂硫电池为基础，但将如下数学式1中的es值(电解质质量(g)/正极中所含的硫的质量(g)：2≤es《3.7)和l的值(单位：mah/cm2)(正极的硫负载值：2≤l≤2.6)设定为满足如下数学式1(正极的硫负载值为通过测量以φ15冲压的正极的重量并根据公式将其换算而获得的值)。
[0082]
[数学式1]
[0083]
1≤es/l≤1.4
[0084]
[比较例]锂硫电池的制造
[0085]
以上述制造例制造的锂硫电池为基础，但将上述数学式1中的es值(电解质质量(g)/正极中所含的硫的质量(g))设定为偏离2≤es《3.7，并且l的值(单位：mah/cm2)(正极的硫负载值)设定为偏离2≤l≤2.6。
[0086]
[实验例1]锂硫电池的功率的评价
[0087]
实施例和比较例的锂硫电池的电阻以基于0.1c放电容量的剩余容量为75％处通过在2c下放电10秒的电压降来测量，据此，换算放电至1.5v时能够产生的最大功率。图1和图2是显示es/l的值随正极的硫负载值的变化的图。如图1中所示，能够看出，es/l的值在约1和1.4之间具有一个拐点，并且随着es/l的值超过1.4，功率的增加量减小。此外，确认了，如果l的值为2和2.5，则功率的增加特别迅速，因此其作为锂硫电池的功率是优异的。另一方面，如图2中所示，l的值为4以上，在功率急剧增加的点处功率的值没有达到2kw/kg。由此能够看出，es/l的最佳值为1≤es/l≤1.4，此时，优选的是，l的值在2≤l≤2.6的范围内。
[0088]
[实验例2]锂硫电池的能量密度和功率的评价
[0089]
实施例和比较例的锂硫电池的电阻以基于0.1c放电容量的剩余容量为75％处通过在2c下放电10秒的电压降来测量，据此，换算放电至1.5v时能够产生的最大功率(单位：kw/kg)，并将结果示于下表1中。此外，对于实施例和比较例的锂硫电池，测量在0.1c放电(下限电压为1.7v)下测得的能量，然后除以电池的重量以确定单位重量的能量密度(单位：
wh/kg)，并将结果示于下表2中。图3是显示锂硫电池的能量密度和功率与es/l值的关系的图，并且图4是显示锂硫电池的功率与es/l值的关系的图。
[0090]
表1：
[0091][0092]
表2：
[0093][0094]
此前，通过与锂硫电池功率相关的实验例1确认，es/l的最佳值为1≤es/l≤1.4，此时，优选的是，l的值在2≤l≤2.6的范围内。此外，如上表1和表2中所示，以及如图3和图4中所示，能够看出，即使接着考虑锂硫电池的能量密度，es/l的值和l的值也优选在上述范围内。具体地，如果l的值为2≤l《2.5，则电池的能量密度为300wh/kg以上且小于350wh/kg，此时，功率值为2至2.6kw/kg。此外，如果l的值为2.5≤l≤2.6，则电池的能量密度为300至350wh/kg，此时，功率值为超过2kw/kg至2.6kw/kg。此外，如果es/l的值为1且l的值为2.5≤l≤2.6，则电池的能量密度为350wh/kg，此时，功率值为超过2kw/kg至2.3kw/kg。
[0095]
因此，当es的值在2≤es《3.7的范围内且l的值在2≤l≤2.6的范围内时，如果es/l的值满足1≤es/l≤1.4，则锂硫电池的单位重量的能量密度为300wh/kg以上，同时，最大功率也为通常所需的2kw/kg以上，从而能够实现本发明的目的。

技术特征：
1.一种锂硫电池，所述锂硫电池包含：含有硫作为正极活性材料的正极、锂金属负极和电解质，其中，所述电池满足如下数学式1：[数学式1]1≤es/l≤1.4其中，es为通过将所述电解质的质量(g)除以所述正极中所含的硫的质量(g)而获得的值，并且l为所述正极的硫负载值，且l的单位为mah/cm2。2.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述锂硫电池的能量密度为300wh/kg以上，同时，最大功率为2kw/kg以上。3.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述es的值为2≤es<3.7。4.根据权利要求3所述的锂硫电池，其中，所述l的值为2≤l≤2.6。5.根据权利要求4所述的锂硫电池，其中，如果所述l的值为2≤l<2.5，则所述电池的能量密度为300wh/kg以上且小于350wh/kg，此时，功率值为2kw/kg至2.6kw/kg。6.根据权利要求4所述的锂硫电池，其中，如果所述l的值为2.5≤l≤2.6，则所述电池的能量密度为300wh/kg至350wh/kg，此时，功率值为超过2kw/kg至2.6kw/kg。7.根据权利要求6所述的锂硫电池，其中，如果所述es/l的值为1且所述l的值为2.5≤l≤2.6，则所述电池的能量密度为350wh/kg，此时，功率值为超过2kw/kg至2.3kw/kg。8.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述正极活性材料包含硫-碳复合材料。9.根据权利要求8所述的锂硫电池，其中，所述正极包含正极活性材料和粘合剂，并且不包含导电材料。10.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，基于所述正极的总重量，所述硫的含量为60重量％至80重量％。11.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述电解质含有：第一溶剂，所述第一溶剂包含含有至少一个双键同时含有氧原子和硫原子中的任一种的杂环化合物；第二溶剂，所述第二溶剂包含醚类化合物、酯类化合物、酰胺类化合物和碳酸酯类化合物中的至少一种；以及锂盐。12.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述锂硫电池为用作城市空中交通工具(uam)的飞行器的电池。

技术总结
本发明公开了一种锂硫电池，所述锂硫电池具有改善的能量密度和功率，所述锂硫电池通过将正极中硫的质量与电解质的质量之比和正极的硫负载值设定在特定范围内而能够同时实现300Wh/kg以上的每电池重量的能量密度和2kW/kg以上的最大功率。该锂硫电池包含：含有硫作为正极活性材料的正极、锂金属负极和电解质，并且满足如下数学式1：[数学式1]1≤ES/L≤1.4其中，ES为通过将电解质的质量(g)除以正极中所含的硫的质量(g)而获得的值，并且L为正极的硫负载值，且其单位为mAh/cm2。。。


技术研发人员：韩承勋 洪京植 金潣守 李载佶
受保护的技术使用者：株式会社LG新能源
技术研发日：2022.10.26
技术公布日：2023/10/7