本發明涉及一種鋰硫電池用正極材料和包含其的鋰硫電池。本技術要求于2022年8月31日在韓國提交的韓國專利申請第10-2022-0110404號的優先權，所述專利申請的公開內容通過引用并入本文中。

背景技術：

1、鋰硫電池是使用具有硫-硫(s-s)鍵的硫類材料作為正極活性材料并使用鋰金屬作為負極活性材料的電池系統。作為正極活性材料的主要成分的硫的優點在于，它在全球資源豐富、無毒且示出低原子量。

2、隨著二次電池的應用范圍擴展到電動車輛(ev)、儲能系統(ess)等，與具有相對更低的單位重量儲能密度(~250?wh/kg)的鋰離子二次電池相比，能夠實現理論上更高的單位重量儲能密度(~2,500?wh/kg)的鋰硫電池的技術已經成為焦點。

3、在鋰硫電池中，在放電期間，在作為負極活性材料的鋰提供電子并被離子化且氧化成鋰陽離子的同時，作為正極活性材料的硫類材料接受電子并被還原。在此，s-s鍵通過硫類材料的還原接受兩個電子并轉化為硫陰離子形式。通過鋰的氧化而生成的鋰陽離子通過電解質轉移到正極，并且與通過硫類化合物的還原而生成的硫陰離子結合以形成鹽。特別地，放電前的硫具有環狀s8結構，其通過還原轉化為多硫化鋰(li2sx)并被完全還原以生成硫化鋰(li2s)。

4、因此，因為用于正極活性材料的硫是絕緣體，所以存在尚待解決的問題在于，通過電化學反應而生成的電子難以轉移，并且由于在充電/放電循環期間發生多硫化鋰(lisx)的溶出而導致電池的容量迅速降低等。

5、例如，在正極中使用的硫在放電期間被還原的同時形成多硫化鋰，并且所形成的多硫化鋰溶解在醚類液體電解質中并從正極溶出。溶出的多硫化鋰穿過隔膜并到達負極，從而引起與金屬鋰的副反應，由此形成不穩定的界面。這導致作為正極活性材料的硫的損失，并且這一系列過程稱為“穿梭效應”。

6、在這些情況下，需要抑制由這種穿梭效應引起的電池能量密度損失的技術。

技術實現思路

1、技術問題

2、本發明旨在解決現有技術的問題，因此本發明旨在提供一種硫碳復合材料和制備硫碳復合材料的方法，所述硫碳復合材料完全或部分地表面包覆有聚合物，從而抑制多硫化鋰從鋰硫電池的正極溶出。

3、特別地，本發明旨在提供一種鋰硫電池，所述鋰硫電池通過硫碳復合材料的包覆結構來抑制穿梭效應，并且通過抑制正極的體積膨脹而具有優異的放電容量和容量保持率。

4、技術方案

5、在本發明的一個方面中，提供了根據如下實施方案中任一項的硫碳復合材料。

6、根據本發明的第一實施方案，提供一種硫碳復合材料，所述硫碳復合材料包含：

7、多孔碳質基質；以及

8、包含在多孔碳質基質的外表面和多孔碳質基質的孔的內表面中的至少一者中的含硫化合物，并且

9、所述硫碳復合材料全部或部分地表面包覆有兩親性聚噻吩。

10、根據本發明的第二實施方案，提供如第一實施方案中所限定的硫碳復合材料，其中，兩親性聚噻吩包含3-烷基取代的噻吩作為重復單元，所述3-烷基取代的噻吩是指在噻吩的3-位處用烷基取代的噻吩，其中，烷基可以包含至少一種陽離子官能團和至少一種陰離子官能團。

11、根據本發明的第三實施方案，提供如第二實施方案中所限定的硫碳復合材料，其中，陽離子官能團可以包含季胺結構。

12、根據本發明的第四實施方案，提供如第二實施方案中所限定的硫碳復合材料，其中，陰離子官能團可以包含選自如下中的至少一種官能團：-so3-、-coo-、-so42-及其共軛酸。

13、根據本發明的第五實施方案，提供如第一至第四實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料，其中，兩親性聚噻吩可以包含由如下化學式1表示的聚合物：

14、[化學式1]

15、

16、根據本發明的第六實施方案，提供如第一至第五實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料，其中，兩親性聚噻吩可以包含由如下化學式2表示的聚合物：

17、[化學式2]

18、

19、根據本發明的第七實施方案，提供如第一至第六實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料，其中，兩親性聚噻吩可以包含由如下化學式3表示的聚合物：

20、[化學式3]

21、

22、根據本發明的第八實施方案，提供如第一至第七實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料，其中，多孔碳質基質可以包含：炭黑、碳纖維、碳納米管(cnt)、石墨烯、氧化石墨烯(go)、還原型氧化石墨烯(rgo)、石墨、石墨納米纖維(gnf)、碳納米纖維(cnf)、活性炭纖維(acf)、天然石墨、人造石墨、膨脹石墨、活性炭、富勒烯或它們中的兩種以上材料。

23、根據本發明的第九實施方案，提供如第一至第八實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料，其中，含硫化合物可以包含無機硫(s8)、硫化鋰(li2s)、多硫化鋰(li2sx，2≤x≤8)、二硫化物化合物或它們中的兩種以上的混合物。

24、在本發明的另一個方面中，提供一種根據如下實施方案中任一項的制備硫碳復合材料的方法。

25、根據本發明的第十實施方案，提供一種制備硫碳復合材料的方法，所述方法包括如下步驟：

26、制備未包覆的硫碳復合材料，所述未包覆的硫碳復合材料包含：多孔碳質基質；以及負載在多孔碳質基質的外表面和多孔碳質基質的孔的內表面中的至少一者中的含硫化合物；

27、用兩親性噻吩單體全部或至少部分地包覆未包覆的硫碳復合材料的表面；和

28、提供全部或部分地表面包覆有兩親性聚噻吩的硫碳復合材料，所述兩親性聚噻吩通過所述包覆的兩親性噻吩單體的聚合而形成。

29、根據本發明的第十一實施方案，提供如第十實施方案中所限定的制備硫碳復合材料的方法，其中，兩親性噻吩單體可以通過包括如下步驟的方法獲得：

30、(s10)?活化3-羧基烷基噻吩的羧酸基；

31、(s20)?使活化的3-羧基烷基噻吩化合物與二烷基氨基醇化合物反應以形成二烷基氨基烷基噻吩烷基羧酸酯化合物；和

32、(s30)?用至少一種陰離子官能團取代二烷基氨基烷基噻吩烷基羧酸酯化合物以獲得兩親性噻吩單體。

33、根據本發明的第十二實施方案，提供如第十一實施方案中所限定的制備硫碳復合材料的方法，其中，3-羧基烷基噻吩可以包含2-噻吩乙酸。

34、根據本發明的第十三實施方案，提供如第十一實施方案中所限定的制備硫碳復合材料的方法，其中，二烷基氨基醇化合物可以包含2-二甲基氨基乙醇、2-二甲基氨基丁醇、6-二甲基氨基己醇或它們中的兩種以上的混合物。

35、根據本發明的第十四實施方案，提供如第十一實施方案中所限定的制備硫碳復合材料的方法，其中，用陰離子官能團的取代可以通過使用環狀磺酸化合物進行。

36、根據本發明的第十五實施方案，提供如第十一實施方案中所限定的制備硫碳復合材料的方法，其中，用陰離子官能團的取代可以通過使用1,3-丙烷磺酸內酯進行。

37、在本發明的還一個方面中，提供一種根據如下實施方案的鋰硫電池用正極。

38、根據本發明的第十六實施方案，提供一種鋰硫電池用正極，所述鋰硫電池用正極包含：如第一至第九實施方案中任一項中所限定的硫碳復合材料；以及粘合劑聚合物。

39、在本發明的又一方面中，提供根據如下實施方案的鋰硫電池。

40、根據本發明的第十七實施方案，提供一種鋰硫電池，所述鋰硫電池包含正極、負極、介于正極與負極之間的隔膜、以及電解液，其中，正極包含如第十六實施方案中所限定的正極。

41、有益效果

42、根據本發明的硫碳復合材料具有源自兩親性聚噻吩的包覆結構，由此能夠提供在包含使用其的正極的鋰硫電池運行期間抑制多硫化鋰溶出的效果。以此方式，可以提供一種鋰硫電池，所述鋰硫電池不僅具有改善的放電容量，而且在重復循環后具有優異的電池容量保持率。

43、此外，由于該包覆結構，可以減少鋰硫電池運行期間正極膨脹的問題，并提供具有改善的安全性的鋰硫電池。