ES3033935T3 - Sulfur-carbon composite, method for preparing same, and lithium secondary battery comprising same - Google Patents

Sulfur-carbon composite, method for preparing same, and lithium secondary battery comprising same

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ES3033935T3 ES19880684T ES19880684T ES3033935T3 ES 3033935 T3 ES3033935 T3 ES 3033935T3 ES 19880684 T ES19880684 T ES 19880684T ES 19880684 T ES19880684 T ES 19880684T ES 3033935 T3 ES3033935 T3 ES 3033935T3
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Abstract

La presente invención se refiere a un compuesto de azufre y carbono y a un método para prepararlo, comprendiendo el compuesto: un material de carbono poroso cuya superficie interior y exterior están recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones; y azufre en al menos una parte de las superficies y el interior del material de carbono poroso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Material compuesto de azufre-carbono, método para preparar el mismo, y batería secundaria de litio que comprende el mismo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un material compuesto de azufre-carbono y a una batería secundaria de litio que incluye el mismo.
Antecedentes de la técnica
Recientemente, ha habido un creciente interés en la tecnología de almacenamiento de energía. A medida que el campo de aplicación de la misma se extiende a la energía para teléfonos móviles, videocámaras, ordenadores portátiles, e incluso vehículos eléctricos, el esfuerzo de investigación y desarrollo de dispositivos electroquímicos se está llevando a cabo de manera cada vez más concreta.
Los dispositivos electroquímicos son el área más destacable a este respecto, y entre ellos, el desarrollo de una batería secundaria capaz de cargarse/descargarse es el foco de atención. Recientemente, en el desarrollo de estas baterías, se han realizado investigaciones y desarrollos sobre el diseño de nuevos electrodos y baterías para mejorar la densidad de capacidad y la eficiencia energética.
Entre las baterías secundarias que se usan actualmente, la batería secundaria de litio desarrollada a principios de la década de 1990 está atrayendo mucha atención debido a que tiene la ventaja de tener una tensión de funcionamiento y una densidad de energía mucho mayores que las baterías convencionales, tales como las baterías de Ni-MH, Ni-Cd y de ácido sulfúrico-plomo que usan una disolución de electrolito en forma de disolución acuosa. La batería de litio-azufre es una batería secundaria que usa un material a base de azufre que tiene un enlace azufreazufre (enlace S-S) como material activo de electrodo positivo y usa metal de litio como material activo de electrodo negativo. La batería de litio-azufre tiene ventajas porque el azufre, que es el material principal del material activo de electrodo positivo, tiene recursos muy abundantes, no es tóxico y tiene un peso atómico bajo. Además, la capacidad de descarga teórica de la batería de litio-azufre es de 1.675 mAh/g de azufre y su densidad de energía teórica es de 2.600 Wh/kg. Dado que la densidad de energía de la batería de litio-azufre es mucho mayor que la densidad de energía teórica de otros sistemas de baterías actualmente en estudio (batería de Ni-MH: 450 Wh/kg, batería de Li-FeS: 480 Wh/kg, batería de Li-MnO<2>: 1.000 Wh/kg, batería de Na-S: 800 Wh/kg), la batería de litio-azufre es la batería más prometedora entre las baterías desarrolladas hasta ahora.
Durante la descarga de la batería de litio-azufre, se produce una reacción de oxidación del litio en el electrodo negativo (ánodo) y se produce una reacción de reducción del azufre en el electrodo positivo (cátodo). El azufre tiene una estructura anular Se antes de la descarga. Durante la reacción de reducción (descarga), a medida que se corta el enlace S-S, el número de oxidación de S disminuye, y durante la reacción de oxidación (carga), a medida que vuelve a formarse el enlace S-S, el número de oxidación de S aumenta. Mediante la reacción de oxidaciónreducción, se almacena y genera energía eléctrica. Durante esta reacción, el azufre se convierte de la estructura anular Se en el polisulfuro de litio (Li<2>Sx, x = 8, 6, 4, 2) con estructura lineal mediante la reacción de reducción y, con el tiempo, cuando el polisulfuro de litio se reduce completamente, finalmente se produce sulfuro de litio (Li2S). Mediante el procedimiento de reducción en cada polisulfuro de litio, el comportamiento de descarga de la batería de litio-azufre se caracteriza por una tensión de descarga escalonada a diferencia de la batería de iones de litio.
Sin embargo, en el caso de la batería de litio-azufre, deben resolverse los problemas de la baja conductividad eléctrica del azufre, la lixiviación de polisulfuro de litio durante la carga y descarga, y la expansión de volumen, y los problemas resultantes de baja eficiencia coulómbica y rápida reducción de la capacidad según la carga/descarga. En particular, cuando se soporta el azufre en baja carga en una batería de litio-azufre convencional, los resultados de expresar suficientemente la reactividad del azufre se han conocido a través de diversos experimentos. Al aumentar la carga de azufre, surgió el problema de que la reactividad disminuyó drásticamente.
Cuando el polímero funcional (polímero de adsorción/catalizador/conductor) se recubre sobre material de carbono poroso o material compuesto de azufre-carbono para aumentar la reactividad en carga alta, se informa un resultado que muestra el efecto sobre el recubrimiento en el caso de carga baja. Sin embargo, en el caso de una gran cantidad de azufre, cuando se realiza el recubrimiento con una alta concentración del polímero para resolver este problema, se obtiene como resultado que la reactividad se reduce bastante y el componente de resistencia aumenta. ACS NANO, vol. 5, n.° 11, páginas 9187-9193 enseña un material compuesto de carbono-azufre que comprende carbono mesoporoso CMK-3 (nanotubos de carbono) infiltrado con azufre. El material compuesto de azufre CMK-3 está recubierto con sulfonato de poliestireno/poli(3,4-etilendioxitiofeno).
Por tanto, existe la necesidad de encontrar una solución que pueda aumentar la reactividad, incluso cuando se usan altas concentraciones de azufre, recubriendo el material de carbono poroso con un material que tenga tanto conductividad de iones de litio como conductividad electrónica, de modo que incluso cuando se usa un alto contenido de azufre, no se produzca sobretensión y un grupo funcional actúe como corresponde.
Documento de la técnica anterior
Documento de patente
(Documento de patente 1) Registro de patente coreana n.° 10-1592658, “A surface-treated cathode active material and lithium secondary battery using it”.
Divulgación
Problema técnico
Después de realizar diversos estudios, los inventores de la presente invención han completado la presente invención al confirmar que recubriendo un polímero que tiene conductividad de iones de litio y conductividad electrónica dentro del material de carbono poroso, incluso si se carga un alto contenido de azufre, puede mejorarse la reactividad. Por tanto, la presente invención es para proporcionar un material compuesto de azufre-carbono que soporta azufre mediante el recubrimiento y secado de un polímero que tiene conductividad de iones de litio y conducción de electrones en el interior del material de carbono poroso y un método de preparación del mismo.
Solución técnica
Para lograr el objetivo anterior, la presente invención proporciona un material compuesto de azufre-carbono que comprende:
un material de carbono poroso que comprende superficies interiores y exteriores recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones; y
azufre presente sobre al menos una porción de los poros interiores y sobre una superficie del material de carbono poroso,
en donde el material compuesto de azufre-carbono contiene azufre y el material de carbono poroso en una razón en peso de 9:1 a 7:3.
Además, la presente invención proporciona un método para preparar el material compuesto de azufre-carbono que comprende las etapas de: (a) preparar un material de carbono poroso recubierto con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones mezclando un material de carbono poroso en una disolución que comprende un polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones y luego secando el resultante; (b) preparar un material compuesto de azufre-carbono mezclando azufre con el material de carbono poroso recubierto y secado, mezclándose el azufre y el material de carbono poroso en una razón en peso de 9:1 a 7:3, y (c) tratar térmicamente la mezcla resultante.
Además, la presente invención proporciona un electrodo positivo para una batería secundaria de litio que comprende el material compuesto de azufre-carbono.
Además, la presente invención proporciona una batería secundaria de litio que comprende el electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito.
Efectos ventajosos
A diferencia de los materiales de recubrimiento generales usados en la técnica anterior, para resolver los problemas de que la reactividad se degrada cuando se carga un alto contenido de azufre y que la reactividad se reduce durante la carga/descarga a alta tasa, el material compuesto de azufre-carbono de la presente invención tiene una característica de estar preparado recubriendo un polímero que comprende un grupo funcional que aumenta la movilidad de los iones de litio y un grupo funcional que mejora la movilidad de los electrones, sobre el material de carbono poroso.
Por tanto, el material compuesto de azufre-carbono de la presente invención proporciona un efecto de reducción de la aparición de sobretensión generada durante el funcionamiento de la batería y de aumento de la reactividad del azufre, al tiempo que contiene un alto contenido de azufre.
Descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama esquemático que muestra la función dependiendo de la estructura del polímero de la presente invención.
La figura 2 es un gráfico que muestra los resultados de termogravimetría de materiales compuestos de azufrecarbono según un ejemplo de la presente invención y un ejemplo comparativo.
La figura 3 es un gráfico que muestra las características de vida útil de las baterías de litio-azufre elaboradas de los materiales compuestos de azufre-carbono del ejemplo 1 de la presente invención y los ejemplos comparativos 1 y 5. La figura 4 es un gráfico que muestra los rendimientos de protección contra sobretensión de las baterías de litioazufre elaboradas de los materiales compuestos de azufre-carbono del ejemplo 1 de la presente invención y los ejemplos comparativos 1 y 5.
La figura 5 es un gráfico que muestra las características de vida útil de las baterías de litio-azufre elaboradas de los materiales compuestos de azufre-carbono del ejemplo 1 de la presente invención y los ejemplos comparativos 1, 2 y 4.
La figura 6 es un gráfico que muestra las características de vida útil de las baterías de litio-azufre elaboradas de los materiales compuestos de azufre-carbono del ejemplo 1 de la presente invención y el ejemplo comparativo 3.
La figura 7 es un gráfico que muestra las características de vida útil de las baterías de litio-azufre elaboradas de los materiales compuestos de azufre-carbono de los ejemplos comparativos 1 y 4.
Mejor modo
A continuación en el presente documento, se describirá en detalle la presente invención con referencia a los dibujos adjuntos para que los expertos en la técnica puedan llevar a cabo fácilmente la presente invención. Sin embargo, la presente invención puede realizarse de diversas formas diferentes y no se limita a los mismos.
En los dibujos, para ilustrar claramente la presente invención, se omiten las partes que no están relacionadas con la descripción de la presente invención y se usan números de referencia similares para partes similares a lo largo de la memoria descriptiva. Además, el tamaño y el tamaño relativo de los componentes que se muestran en las figuras son independientes de la escala real y pueden reducirse o exagerarse para mayor claridad de la descripción.
Los términos y expresiones usados en la presente memoria descriptiva y reivindicaciones no deben interpretarse como limitados a términos ordinarios o de diccionario, y deben interpretarse en un sentido y concepto coherente con la idea técnica de la presente invención, basándose en el principio de que el inventor puede definir adecuadamente el concepto de un término para describir su invención de la mejor manera posible.
El término “material compuesto” tal como se usa en el presente documento se refiere a un material en el que se combinan dos o más materiales para expresar una función más efectiva mientras forman fases física y químicamente diferentes entre sí.
Una batería de litio-azufre, que es una realización de la batería secundaria de litio, usa azufre como material activo de electrodo positivo y metal de litio como material activo de electrodo negativo. Cuando se descarga la batería de litio-azufre, se produce oxidación del litio en el electrodo negativo y reducción del azufre en el electrodo positivo. En este caso, el azufre reducido se combina con iones de litio transferidos desde el electrodo negativo y se convierte en polisulfuro de litio, seguido de una reacción para formar finalmente sulfuro de litio.
Dado que la batería de litio-azufre tiene una densidad de energía teórica mucho mayor que la batería secundaria convencional y el azufre, que se usa como material activo de electrodo positivo, tiene la ventaja de tener una reserva abundante y un bajo precio y de ser respetuoso con el medio ambiente, la batería de litio-azufre está ganando popularidad como batería de próxima generación.
A pesar de estas ventajas, es difícil alcanzar toda la densidad de energía teórica en funcionamiento real, debido a la baja conductividad eléctrica y la conductividad de iones de litio del azufre, que es un material activo de electrodo positivo.
En particular, en la batería de litio-azufre convencional, cuando se soporta el azufre en carga baja, los resultados de expresar suficientemente la reactividad del azufre se han conocido a través de varios experimentos. Sin embargo, en el caso de aumentar la carga de azufre, existe el problema de que la reactividad disminuye rápidamente.
Cuando el polímero funcional (polímero de adsorción/catalizador/conductor) se recubre sobre material de carbono poroso o materia compuesto de azufre-carbono para aumentar la reactividad en carga alta, se informa un resultado que muestra el efecto sobre el recubrimiento en el caso de carga baja. Sin embargo, cuando el azufre estaba altamente cargado, era difícil lograr el efecto deseado. Por consiguiente, para resolver este problema, también se ha estudiado un método de recubrimiento de un polímero a una alta concentración, pero el recubrimiento del polímero a una alta concentración ha reducido más bien la reactividad y ha dado como resultado la inhibición del efecto mediante el aumento del componente de resistencia.
Por tanto, existe la necesidad de encontrar una solución que pueda aumentar la reactividad, incluso cuando se usan altas concentraciones de azufre, recubriendo el material de carbono poroso con un material que tenga tanto conductividad de iones de litio como conductividad electrónica, de modo que incluso cuando se usa un alto contenido de azufre, no se produzca sobretensión y el grupo funcional actúe como corresponde.
Material compuesto de azufre-carbono
Por tanto, para asegurar el efecto de mejorar la reactividad entre el material compuesto de azufre-carbono y el electrolito, y las características de capacidad y eficiencia de la batería secundaria de litio, la presente invención proporciona un material compuesto de azufre-carbono que comprende un material de carbono poroso cuyas superficies internas y exteriores están recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones; y azufre sobre al menos una porción del interior y la superficie del material de carbono poroso.
El material de carbono poroso proporciona un marco en el que el azufre, que es un material activo de electrodo positivo, puede inmovilizarse de manera uniforme y estable, y se complementa la conductividad eléctrica del azufre para permitir que la reacción electroquímica se desarrolle sin problemas.
El material de carbono poroso puede producirse generalmente carbonizando precursores de diversos materiales de carbono. El material de carbono poroso puede comprender poros desiguales en el mismo, el diámetro promedio de los poros está en el intervalo de 1 a 200 nm, y la porosidad puede estar en el intervalo del 10 al 90 % del volumen total de la porosidad. Si el diámetro promedio de los poros es menor que el intervalo anterior, el tamaño de los poros sólo es a nivel molecular y la impregnación con azufre es imposible. Por el contrario, si el diámetro promedio de los poros supera el intervalo anterior, la resistencia mecánica del carbono poroso se debilita, lo que no es preferible para su aplicación al procedimiento de fabricación del electrodo. La forma del material de carbono poroso está en forma de esfera, varilla, aguja, placa, tubo, y masa, y puede usarse sin limitación siempre que se use comúnmente en una batería secundaria de litio.
El material de carbono poroso puede tener una estructura porosa o una alta área de superficie específica, y puede ser cualquiera de los usados convencionalmente en la técnica. Por ejemplo, el material de carbono poroso puede ser, pero no está limitado a, al menos uno seleccionado del grupo que consiste en grafito; grafeno; negros de carbono tales como negro de Denka, negro de acetileno, negro de Ketjen, negro de canal, negro de horno, negro de lámpara, y negro térmico; nanotubos de carbono (CNT) tales como nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) y nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT); fibras de carbono tales como nanofibras de grafito (GNF), nanofibras de carbono (CNF) y fibra de carbono activado (ACF); y carbono activado.
El azufre puede ser al menos uno seleccionado del grupo que consiste en azufre inorgánico (S8), Li<2>Sn (n > 1), compuesto de azufre orgánico y polímero de carbono-azufre [(C<2>Sx)n, x = de 2,5 a 50, n > 2]. Preferiblemente puede usarse azufre inorgánico (S8). En el material compuesto de azufre-carbono según la presente invención, la razón en peso de azufre y el material de carbono poroso es de 9:1 a 7:3. Si el contenido de azufre es inferior al 70 % en peso, a medida que aumenta el contenido de material de carbono poroso, aumenta la cantidad de adición de aglutinante necesaria para preparar la suspensión de electrodo positivo. Un aumento de este tipo en la cantidad de adición de aglutinante aumentará con el tiempo la resistencia de la lámina del electrodo y puede servir como aislante para bloquear el paso de electrones, degradando de ese modo el rendimiento de la celda. Por el contrario, si el contenido de azufre supera el 90 % en peso, dado que el azufre se aglomera entre sí y es difícil que reciba electrones, el azufre puede tener dificultades para participar directamente en la reacción del electrodo.
Más preferiblemente, la razón en peso de azufre y material de carbono poroso en el material compuesto de azufrecarbono de la presente invención puede ser de 9:1 a 7,5:2,5.
Además, el azufre se encuentra sobre la superficie, así como en el interior, de los poros del material de carbono poroso y, en este momento, el azufre puede estar presente en un área de menos del 100 %, preferiblemente del 1 al 95 %, más preferiblemente del 60 al 90 % de toda la superficie externo del material de carbono poroso. Cuando el azufre está dentro del intervalo anterior sobre la superficie del material de carbono poroso, puede presentar el máximo efecto en cuanto al área de transferencia de electrones y la humectabilidad de la disolución de electrolito. Específicamente, dado que el azufre se impregna de manera fina y uniforme sobre la superficie del material de carbono poroso en el intervalo anterior, el área de contacto de transferencia de electrones puede aumentarse durante el procedimiento de carga/descarga. Si el azufre se encuentra en el 100 % del área de la superficie del material de carbono poroso, el material de carbono poroso se cubre completamente con azufre, de manera que la humectabilidad de la disolución de electrolito se deteriora y la propiedad de contacto con el material conductor contenido en el electrodo disminuye y, por tanto, los electrones no se transmiten y no pueden participar en la reacción.
El material compuesto de azufre-carbono puede portar un alto contenido de azufre debido a los diversos tamaños de poros en su estructura y a los poros dispuestos regularmente e interconectados tridimensionalmente. Por tanto, aunque un polisulfuro soluble se produce mediante una reacción electroquímica, si puede encontrarse en el interior de un material compuesto de azufre-carbono, la estructura enredada en tres dimensiones puede mantenerse para suprimir el colapso de la estructura del electrodo positivo incluso en el caso de lixiviación del polisulfuro. Como resultado, la batería secundaria de litio que comprende el material compuesto de azufre-carbono tiene la ventaja de que puede lograrse una alta capacidad incluso con carga elevada.
Por tanto, la cantidad de carga de azufre del material compuesto de azufre-carbono según la presente invención puede ser de 5 a 20 mg/cm2.
Tal como se describió anteriormente, en el caso en el que la cantidad de carga de azufre en el material compuesto de azufre-carbono es alta, existe un problema de que la sobretensión aumenta y la reactividad disminuye debido a la entrada y salida de iones de litio y la presencia de azufre, que es un no conductor, tal como se muestra en (b) de la figura 1.
Sin embargo, en el caso del material compuesto de azufre-carbono de la presente invención, las superficies interiores y exteriores del material de carbono poroso están recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones. Por consiguiente, en el caso de los CNT recubiertos con el polímero a pesar de la alta carga de azufre, la entrada y salida de iones de litio son posibles (el papel de la porción de bloque para funcionar para la conductividad iónica de (a) de la figura 1), y se mejora la sobretensión (el papel de la porción de bloque para funcionar para la conductividad electrónica de (a) de la figura 1), mejorando de ese modo la reactividad general, tal como se muestra en (c) de la figura 1.
Por tanto, en el caso del material compuesto de azufre-carbono de la presente invención, las superficies interiores y exteriores del material de carbono poroso están recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones.
El polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones puede comprender uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEG (poli(etilenglicol)) y poli(óxido de etileno); y uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEDOT (poli(3,4-etilendioxitiofeno)), tiofeno y pirrol.
En el polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones tal como se usa en la presente invención, un compuesto tal como PEG, poli(óxido de etileno), etc., puede estar comprendido para actuar como un grupo funcional conductor de iones, y también un compuesto tal como PEDOT, tiofeno, pirrol, etc., puede estar comprendido para actuar como un grupo funcional conductor de electrones.
Específicamente, el polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones puede ser un compuesto de fórmula 1 a continuación:
en donde x e y son las razones de los respectivos monómeros, x es de 0 a 1, y es 1-x, y R y R’ son cada uno independientemente un grupo hidrocarburo C<1>a C<20>.
El peso molecular promedio en peso del compuesto de fórmula 1 es de 1.000 a 1.000.000.
Más preferiblemente, R y R’ son cada uno independientemente un grupo hidrocarburo C<5>a C<15>, y como ejemplo específico, R y R’ pueden ser Ci<2>H25.
El contenido del polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones tal como se usa en la presente invención puede ser del 0,5 al 5,0 % en peso, preferiblemente del 1,0 al 3,0 % en peso, con respecto al peso total del material compuesto de azufre-carbono. Si el contenido del polímero que contiene iones de litio es inferior al 0,5 % en peso, el efecto es insignificante, y si el contenido del polímero que contiene iones de litio supera el 5 % en peso, existe el problema de que se produce sobretensión.
Método de preparación de material compuesto de azufre-carbono
El material compuesto de azufre-carbono de la presente invención se prepara mediante las etapas de:
(a) preparar un material de carbono poroso recubierto con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones mezclando un material de carbono poroso en una disolución que comprende un polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones y luego secándolo; y
(b) preparar un material compuesto de azufre-carbono mezclando azufre con el material de carbono poroso recubierto con el polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones, y luego tratándolo térmicamente.
En primer lugar, el método de preparación del material compuesto de azufre-carbono de la presente invención comprende la etapa (a) de preparar un material de carbono poroso recubierto con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones mezclando un material de carbono poroso en una disolución que comprende un polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones y luego secándolo.
En primer lugar, en la etapa (a), para recubrir un material de carbono poroso con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones, se prepara una composición de recubrimiento mezclando un disolvente altamente volátil tal como etanol o tetrahidrofurano (THF) con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones. Después de eso, la composición se mezcla con un material de carbono poroso y luego se seca. Tras el secado, el material de carbono poroso preparado puede secarse a una temperatura de 70 a 150 °C durante de 15 minutos a 1 hora.
Si la temperatura de secado y el tiempo de secado del material de carbono poroso satisfacen el intervalo anterior, el disolvente volátil puede volatilizarse lo suficiente para recubrir uniformemente el polímero que comprende iones de litio en el material compuesto.
Las características del polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones y el material de carbono poroso usados en la etapa (a) son las mismas que las descritas anteriormente.
Después de eso, el método para preparar el material compuesto de azufre-carbono de la presente invención comprende la etapa (b) de preparar un material compuesto de azufre-carbono mezclando azufre con el material de carbono poroso recubierto con el polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones, y luego tratándolo térmicamente.
En la etapa (b), cuando se mezclan el azufre y el material de carbono poroso, la razón en peso del azufre y el material de carbono poroso es de 9:1 a 7:3. Si el contenido de azufre es menor que la razón en peso anterior, a medida que aumenta el contenido de material de carbono poroso, aumenta la cantidad de adición de aglutinante necesaria para preparar la suspensión de electrodo positivo. Un aumento de este tipo en la cantidad de adición de aglutinante aumentará con el tiempo la resistencia de la lámina del electrodo y puede servir como aislante para bloquear el paso de electrones, degradando de ese modo el rendimiento de la celda. Por el contrario, si el contenido de azufre supera la razón en peso anterior, dado que el azufre se aglomera entre sí y es difícil que reciba electrones, el azufre puede tener dificultades para participar directamente en la reacción del electrodo. Más preferiblemente, la razón en peso de azufre y material de carbono poroso en el material compuesto de azufre-carbono de la presente invención puede ser de 9:1 a 7,5:2,5.
Las características del azufre usado en la etapa (b) son las mismas que las anteriores.
Cuando el azufre y el material de carbono poroso mezclados en la etapa (b) se tratan térmicamente para soportar el azufre en el material de carbono poroso para producir un material compuesto de azufre-carbono, pueden usarse los métodos de tratamiento térmico generales usados en la técnica y, preferiblemente, el tratamiento térmico puede realizarse a través de difusión en estado fundido.
Electrodo positivo
El material compuesto de azufre-carbono propuesto en la presente invención puede usarse preferiblemente como material activo de electrodo positivo de una batería secundaria de litio.
El electrodo positivo se fabrica aplicando y secando una composición para formar una capa de material activo de electrodo positivo sobre un colector de corriente de electrodo positivo. La composición para formar una capa de material activo de electrodo positivo se prepara mezclando el material compuesto de azufre-carbono descrito anteriormente con un material eléctricamente conductor y un aglutinante, seguido de secado durante de 4 a 12 horas a de 40 a 70 °C.
Específicamente, para impartir conductividad adicional al material compuesto de azufre-carbono preparado, puede añadirse un material eléctricamente conductor a la composición de electrodo positivo. El material eléctricamente conductor sirve para mover suavemente los electrones en el electrodo positivo. El material eléctricamente conductor no está particularmente limitado siempre que tenga una conductividad excelente y pueda proporcionar un gran área de superficie sin provocar cambios químicos en la batería, pero preferiblemente se usa un material a base de carbono.
El material a base de carbono puede ser uno cualquiera seleccionado del grupo que consiste en materiales a base de grafito, tales como grafito natural, grafito artificial, grafito expandido, y grafeno; material a base de carbono activo; materiales a base de negro de carbono, tales como negro de canal, negro de horno, negro térmico, negro de contacto, negro de lámpara, y negro de acetileno; material a base de fibra de carbono; nanoestructuras de carbono tales como nanotubos de carbono (CNT) y fullerenos; y una combinación de los mismos.
Además de los materiales a base de carbono, también pueden usarse, según el propósito, fibras metálicas tales como malla metálica, polvo metálico tal como cobre (Cu), plata (Ag), níquel (Ni), y aluminio (Al), o materiales orgánicos eléctricamente conductores tales como derivados de polifenileno. Los materiales eléctricamente conductores pueden usarse solos o en una combinación de los mismos.
Además, para proporcionar adhesión al colector de corriente con el material activo de electrodo positivo, la composición de electrodo positivo puede comprender adicionalmente un aglutinante. El aglutinante debe estar bien disuelto en un disolvente, y el aglutinante no sólo debe constituir una red eléctricamente conductora entre el material activo de electrodo positivo y el material conductor, sino que también debe tener una propiedad de impregnación moderada para una disolución de electrolito.
El aglutinante aplicable a la presente invención puede ser cualquier aglutinante conocido en la técnica, y específicamente puede ser al menos uno seleccionado del grupo que consiste en aglutinantes a base de fluororresina que comprenden poli(fluoruro de vinilideno) (PVdF) o politetrafluoroetileno (PTFE); aglutinantes a base de caucho que comprenden caucho de estireno-butadieno, caucho de acrilonitrilo-butadieno, y caucho de estirenoisopreno; aglutinantes celulósicos que comprenden carboximetilcelulosa (CMC), almidón, hidroxipropilcelulosa, y celulosa regenerada; aglutinante a base de alcohol polihidroxilado; aglutinantes a base de poliolefina que comprenden polietileno y polipropileno; aglutinantes a base de poliimida, aglutinantes a base de poliéster y aglutinantes a base de silano, o una mezcla o copolímero de dos o más de estos, pero no se limita a los mismos. El contenido de la resina aglutinante puede ser, pero no se limita a, del 0,5 al 30 % en peso basándose en el peso total del electrodo positivo. Si el contenido de resina aglutinante es inferior al 0,5 % en peso, las propiedades físicas del electrodo positivo pueden degradarse y, por tanto, el material activo de electrodo positivo y el material eléctricamente conductor pueden eliminarse. Si el contenido supera el 30 % en peso, la razón del material activo y el material eléctricamente conductor en el electrodo positivo se reduce relativamente y, por tanto, la capacidad de la batería puede reducirse.
El disolvente para elaborar la composición de electrodo positivo en estado de suspensión debe ser fácil de secar, y debe disolver bien el aglutinante, pero lo más preferible es un disolvente capaz de mantener el material activo de electrodo positivo y el material eléctricamente conductor en un estado disperso sin disolverlos. Si el disolvente disuelve el material activo de electrodo positivo, dado que la gravedad específica (D = 2,07) del azufre en la suspensión es alta, existe una tendencia a que el azufre se sumerja en la suspensión, lo que a su vez provoca que el azufre fluya al interior del colector de corriente durante el recubrimiento y provoque problemas con respecto a la red eléctricamente conductora, provocando de ese modo problemas con respecto al funcionamiento de la batería. El disolvente según la presente invención puede ser agua o un disolvente orgánico. El disolvente orgánico puede ser un disolvente orgánico que comprende al menos uno seleccionado del grupo que consiste en dimetilformamida, alcohol isopropílico, acetonitrilo, metanol, etanol, y tetrahidrofurano.
El mezclado de la composición de electrodo positivo puede realizarse mediante un método convencional usando una mezcladora convencional tal como una mezcladora de pasta, una mezcladora de cizallamiento de alta velocidad, o una homo-mezcladora.
La composición de electrodo positivo puede aplicarse a un colector de corriente y secarse a vacío para formar un electrodo positivo. La suspensión puede recubrirse sobre el colector de corriente con un grosor apropiado dependiendo de la viscosidad de la suspensión y del grosor del electrodo positivo que va a formarse, y puede seleccionarse adecuadamente dentro del intervalo de 10 a 300 pm.
En ese caso, no existe limitación sobre el método de recubrimiento de la suspensión, y los ejemplos del mismo pueden incluir recubrimiento con cuchilla raspadora, recubrimiento por inmersión, recubrimiento por huecograbado, recubrimiento con matriz de ranura, recubrimiento por centrifugación, recubrimiento por coma, recubrimiento por barra, recubrimiento con rodillo inverso, recubrimiento con pantalla, y métodos de recubrimiento de tapa.
El colector de corriente de electrodo positivo generalmente tiene un grosor de 3 a 500 pm y no está particularmente limitado siempre que tenga alta conductividad sin provocar cambios químicos en la batería. Por ejemplo, puede usarse un metal conductor tal como acero inoxidable, aluminio, cobre, o titanio, etc., como colector de corriente de electrodo positivo y, preferiblemente, puede usarse un colector de corriente de aluminio. El colector de corriente de electrodo positivo puede formarse en diversas formas, tales como una película, una hoja, una lámina, una red, un cuerpo poroso, una espuma o un material textil no tejido.
Batería secundaria de litio
En una realización de la presente invención, la batería secundaria de litio puede comprender el electrodo positivo descrito anteriormente; un electrodo negativo que comprende metal de litio o aleación de litio como material activo de electrodo negativo; un separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo; y un electrolito impregnado en el electrodo negativo, el electrodo positivo y el separador, y que contiene sal de litio y disolvente orgánico. Preferiblemente, la batería secundaria de litio puede ser una batería de litio-azufre que comprende un compuesto de azufre en un material activo de electrodo positivo en el electrodo positivo.
El electrodo negativo puede comprender un material capaz de intercalar o desintercalar reversiblemente iones de litio (L¡+), un material capaz de reaccionar con iones de litio para formar reversiblemente un compuesto que contenga litio, metal de litio, o una aleación de litio como material activo de electrodo negativo. El material capaz de intercalar o desintercalar reversiblemente iones de litio puede ser, por ejemplo, carbono cristalino, carbono amorfo, o mezclas de los mismos. El material capaz de reaccionar con el ion de litio (Li+) para formar reversiblemente el compuesto que contiene litio puede ser, por ejemplo, óxido de estaño, nitrato de titanio, o silicio. La aleación de litio puede ser, por ejemplo, una aleación de litio y el metal seleccionado del grupo que consiste en Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, y Sn.
Además, en el procedimiento de carga/descarga de la batería de litio-azufre, el azufre usado como material activo de electrodo positivo puede transformarse en un material inactivo y luego adherirse a la superficie del electrodo negativo de litio. Tal como se mencionó anteriormente, el azufre inactivo significa azufre que ya no puede participar en la reacción electroquímica del electrodo positivo a través de diversas reacciones electroquímicas o químicas. El azufre inactivo formado sobre la superficie del electrodo negativo de litio también tiene la ventaja de actuar como una capa protectora del electrodo negativo de litio. Por tanto, el metal de litio y el azufre inactivo formado sobre el metal de litio, tal como sulfuro de litio, pueden usarse como electrodo negativo.
El electrodo negativo de la presente invención puede comprender además una capa de pretratamiento elaborada de un material conductor de iones de litio, y una capa protectora de metal de litio formada sobre la capa de pretratamiento, además del material activo de electrodo negativo.
El separador interpuesto entre el electrodo positivo y el electrodo negativo separa o aísla los electrodos positivo y negativo entre sí, permite el transporte de iones de litio entre los electrodos positivo y negativo y puede estar elaborado de materiales porosos no conductores o aislantes. El separador puede ser un elemento independiente, tal como una película o una película delgada como aislante que tiene alta permeabilidad iónica y resistencia mecánica, o puede ser una capa de recubrimiento añadida al electrodo positivo y/o al electrodo negativo. Además, cuando se usa un electrolito sólido, tal como un polímero, como electrolito, el electrolito sólido también puede servir como separador.
El separador tiene preferiblemente un diámetro de poro de 0,01 a 10 pm y un grosor de 5 a 300 pm. Puede usarse como separador un electrolito de vidrio, un electrolito de polímero o un electrolito de cerámica, etc. Por ejemplo, se usan polímeros a base de olefina tal como polipropileno que tiene resistencia química e hidrofobia, una hoja o material textil no tejido elaborado de fibra de vidrio o polietileno, papel Kraft y similares. Ejemplos representativos actualmente disponibles en el mercado comprenden la serie Celgard (producto CelgardR 2400, 2300 de Hoechest Celanese Corp.), el separador de polipropileno (producto de Ube Industries Ltd. o producto de Pall RAI), la serie de polietileno (Tonen o Entek), y similares.
El separador de electrolito en forma de sólido puede comprender menos de aproximadamente el 20 % en peso de disolvente orgánico no acuoso. En este caso, puede comprenderse un agente gelificante apropiado para reducir la fluidez del disolvente orgánico. Ejemplos representativos de tal agente gelificante pueden comprender poli(óxido de etileno), poli(fluoruro de vinilideno), y poliacrilonitrilo, etc.
El electrolito impregnado en el electrodo negativo, el electrodo positivo, y el separador puede ser un electrolito no acuoso, un electrolito sólido orgánico, o un electrolito sólido inorgánico, etc., en donde el electrolito no acuoso puede estar compuesto por una sal de litio y un disolvente de electrolito no acuoso.
La sal de litio de la presente invención es una sustancia que puede disolverse fácilmente en un disolvente orgánico no acuoso y, por ejemplo, puede comprender al menos uno seleccionado del grupo que consiste en LiSCN, LiCl, LiBr, LiI, LiPFa, UBF<4>, LiSbFa, LiAsFa, LiB-i<0>Ch<0>, UCH<3>SO<3>, UCF<3>SO<3>, LiCF3CO<2>, LiClO4, LiAlCl4, LiC(CF3SO<2>)3, LiN(FSO<2>)<2>, LiN(CF3SO2)2, LiN(C<2>FsSO<2>)<2>, LiN(SFO<2>)<2>, LiN(CF3CF2SO2)2, cloroborano de litio, carboxilato alifático inferior de litio, tetrafenilborato de litio, imida de litio, y una combinación de los mismos.
La concentración de la sal de litio puede ser de 0,2 a 2 M, específicamente de 0,6 a 2 M, más específicamente de 0,7 a 1,7 M, dependiendo de diversos factores tales como la composición exacta de la mezcla de electrolito, la solubilidad de la sal, la conductividad de la sal disuelta, las condiciones de carga y descarga de la batería, la temperatura de funcionamiento y otros factores conocidos en el campo de las baterías de litio. Si la concentración de la sal de litio es inferior a 0,2 M, la conductividad del electrolito puede disminuir y, por tanto, el rendimiento del electrolito puede deteriorarse. Si la concentración de la sal de litio supera 2 M, la viscosidad del electrolito puede aumentar y, por tanto, la movilidad del ion de litio (L¡+) puede reducirse.
El disolvente orgánico no acuoso debe disolver bien la sal de litio, y el disolvente orgánico no acuoso de la presente invención puede comprender, por ejemplo, disolventes orgánicos apróticos tales como N-metil-2-pirrolidinona, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de butileno, carbonato de dimetilo, carbonato de dietilo, carbonato de etilo y metilo, gamma-butirolactona, 1,2-dimetoxietano, 1,2-dietoxietano, tetrahidrofurano, 2-metiltetrahidrofurano, dimetilsulfóxido, 1,3-dioxolano, 4-metil-1,3-dioxano, dietil éter, formamida, dimetilformamida, dioxolano, acetonitrilo, nitrometano, formiato de metilo, acetato de metilo, triéster de fosfato, trimetoximetano, derivados de dioxolano, sulfolano, metilsulfolano, 1,3-dimetil-2-imidazolidinona, derivados de carbonato de propileno, derivados de tetrahidrofurano, éter, propionato de metilo, y propionato de etilo, y estos disolventes orgánicos pueden usarse solos o en forma de disolvente mixto de dos o más disolventes de los mismos.
Como electrolito sólido orgánico, pueden usarse, por ejemplo, derivados de polietileno, derivados de poli(óxido de etileno), derivados de poli(óxido de propileno), polímeros de éster de fosfato, poli(lisina de alginato), sulfuro de poliéster, poli(alcohol vinílico), poli(fluoruro de vinilideno), y polímeros que comprenden grupos de disociación iónica y similares.
Como electrolito sólido inorgánico, por ejemplo, pueden usarse nitruros, haluros, sulfatos y similares de Li tales como LhN, LiI, U<5>NI<2>, LhN-LN-UOH, LiSiO<4>, USO<4>-LN-UOH, LhS ^, U<4>SO<4>, U<4>SO<4>-LN-UOH, Li<3>PO<4>-Li<2>S-SiS<2>y similares.
Al electrolito de la presente invención, por ejemplo, también pueden añadírsele piridina, trietilfosfito, trietanolamina, éter cíclico, etilendiamina, n-glima, triamida hexametilfosfórica, derivados de nitrobenceno, azufre, colorantes de quinona imina, oxazolidinona N-sustituida, imidazolidina N,N-sustituida, dialquil éter de etilenglicol, sal de amonio, pirrol, 2-metoxietanol, o tricloruro de aluminio, etc., para mejorar las características de carga/descarga, retardancia a la llama, y similares. En algunos casos, también puede añadirse un disolvente que contiene halógeno, tal como tetracloruro de carbono, trifluoruro de etileno o similares, con el propósito de impartir no inflamabilidad, y puede incluirse además un gas de dióxido de carbono para mejorar las características de almacenamiento a alta temperatura, y pueden incluirse además carbonato de fluoroetileno (FEC), propenosultona (PRS), carbonato de fluoropropileno (FPC) y similares.
El electrolito puede usarse como electrolito líquido y también como separador de electrolitos en estado sólido. Cuando se usa como electrolito líquido, un separador elaborado de vidrio poroso, plástico, cerámica, o polímero está comprendido además como separador físico que tiene la función de separar físicamente el electrodo.
A continuación en el presente documento se presentarán ejemplos preferidos para facilitar la comprensión de la presente invención. Sin embargo, será evidente para los expertos en la técnica que los siguientes ejemplos son ilustrativos de la presente invención y que pueden realizarse diversos cambios y modificaciones dentro del alcance de la presente invención, y que tales variaciones y modificaciones están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Ejemplos
Preparación de material compuesto de azufre-carbono
[Ejemplo 1]
Se prepararon 5 g de una disolución de recubrimiento disolviendo 0,2 g de PEG-b-PEDOT (Sigma-Aldrich) en THF. Después de eso, se mezclaron 0,5 g de nanotubo de carbono en la disolución, se agitó en un mortero durante 15 minutos, y se secó en un horno a 80 °C durante 30 minutos para preparar un nanotubo de carbono recubierto con PEG-b-PEDOT.
Después de eso, se mezclaron uniformemente los nanotubos de carbono recubiertos con PEG-b-PEDOT preparados anteriormente y 1,5 g de azufre, y luego se difundieron en estado fundido a 155 °C durante 30 minutos para preparar un material compuesto de azufre-carbono.
[Ejemplo 2]
Se preparó un material compuesto de azufre-carbono de la misma manera que en el ejemplo 1, excepto que se disolvieron 0,4 g de PEG-b-PEDOT (Sigma-Aldrich) en THF para preparar 5 g de una disolución de recubrimiento.
[Ejemplo comparativo 1]
Se preparó un material compuesto de azufre-carbono de la misma manera que en el ejemplo 1, excepto que se usaron nanotubos de carbono sobre los cuales no se recubrió el PEG-b-PEDOT.
[Ejemplo comparativo 2]
Se preparó un material compuesto de azufre-carbono de la misma manera que en el ejemplo 1, excepto que se mezclaron uniformemente 2 g de material compuesto de azufre/carbono (1,5 g de azufre) y se recubrió polietilenimida en lugar de PEG-b-PEDOT sobre el material compuesto de azufre-carbono.
[Ejemplo comparativo 3]
Se mezclaron uniformemente 2 g de material compuesto de azufre/carbono (1,5 g de azufre) y se difundieron en estado fundido a 155 °C durante 30 minutos para preparar un material compuesto de azufre-carbono. Luego, se disolvieron 0,2 g de PEG-b-PEDOT (Sigma-Aldrich) en THF para preparar 5 g de una disolución de recubrimiento. Después de eso, se mezclaron 2 g de material compuesto de azufre/carbono en la disolución, se agitó en un mortero durante 15 minutos, y se secó en un horno a 80 °C durante 30 minutos para preparar un material compuesto de azufre/carbono recubierto con PEG-b-PEDOT.
[Ejemplo comparativo 4]
Se preparó un material compuesto de azufre-carbono de la misma manera que en el ejemplo 1, excepto que se mezclaron uniformemente los 2 g de material compuesto de azufre/carbono y se recubrieron con poliimida en lugar de PEG-b-PEDOT.
[Ejemplo comparativo 5]
Se preparó un material compuesto de azufre-carbono de la misma manera que en el ejemplo 1, excepto que se usó poli(óxido de etileno) en lugar de PEG-b-PEDOT (Sigma-Aldrich).
Ejemplo experimental 1: Resultados del análisis termogravimétrico (TGA) de materiales compuestos de azufrecarbono recubiertos con polímero
Se sometieron el material compuesto de azufre-carbono recubierto con PEG-b-PEDOT preparado en el ejemplo 1 y el material compuesto de azufre-carbono preparado en el ejemplo comparativo 1 a análisis termogravimétrico (TGA, Mettler-Toledo, TGA2). Los resultados se muestran en la figura 2.
Tal como se muestra en la figura 1, se encontró que el PEG-b-PEDOT estaba dopado en aproximadamente 40 partes en peso en el material compuesto de azufre-carbono preparado en el ejemplo 1, con respecto a 100 partes en peso de material de carbono.
Ejemplo experimental 2: Evaluación del rendimiento de la batería 1
Usando los materiales compuestos preparados en el ejemplo 1 y el ejemplo comparativo 1, se preparó una suspensión mientras se mezclaba con la razón en peso del material compuesto de azufre-carbono: el material eléctricamente conductor: el aglutinante = 90:5:5. Se aplicó la suspensión preparada a un colector de corriente de lámina de aluminio que tenía un grosor de 20 pm, se secó en un horno a 80 °C durante 30 minutos, y luego se laminó para preparar un electrodo positivo. En este momento, se usó negro de carbono como material eléctricamente conductor, y se usaron el caucho de estireno-butadieno y la carboximetilcelulosa como aglutinantes. Después de eso, se fabricó una celda de tipo botón de batería secundaria de litio usando polietileno como separador y una lámina de litio que tenía un grosor de 150 pm como electrodo negativo.
En este momento, en la celda de tipo botón, se usó un electrolito preparado disolviendo LiFSI 1 M, LiNO<3>al 1% en un disolvente orgánico que consistía en dimetil éter de dietilenglicol y 1,3-dioxolano (DEGDME:DOL = 6:4 (razón en volumen)).
Después de eso, se midió la capacidad de la celda de tipo botón fabricada de 1,8 a 2,6 V usando un dispositivo de medición de carga/descarga. Específicamente, se realizó la prueba de la celda repitiendo los ciclos de carga/descarga a 0,1 C/0,1 C, 0,3 C/0,3 C, 0,5 C/0,5 C hasta la degeneración de la celda. Los resultados obtenidos en este momento se muestran en las figuras 3 y 4.
Con referencia a la figura 3, se encontró que la batería secundaria de litio fabricada a partir del material compuesto de azufre-carbono del ejemplo 1 tenía características de vida útil mejoradas, en comparación con las baterías secundarias de litio fabricadas a partir de los materiales compuestos de azufre-carbono de los ejemplos comparativos 1 y 5.
Con referencia a la figura 4, puede observarse que cuando el polímero conductor catiónico se recubre sobre el material de carbono, la batería de litio-azufre fabricada a partir del material compuesto de azufre-carbono del ejemplo 1 se reduce en cuanto a sobretensión en comparación con el electrodo de referencia, en comparación con las baterías secundarias de litio fabricadas a partir de los materiales compuestos de azufre-carbono de los ejemplos comparativos 1 y 5.
Ejemplo experimental 3: Evaluación del rendimiento de la batería 2
Se fabricó una celda de tipo botón de la misma manera que en el ejemplo experimental 2, usando materiales compuestos preparados en el ejemplo comparativo 1 y los ejemplos comparativos 2 a 4, y después de eso, se realizó una prueba de la celda. Los resultados obtenidos en este momento se muestran en las figuras 5 a 7.
Con referencia a la figura 5, se encontró a través de la comparación de los materiales compuestos de azufrecarbono de los ejemplos comparativos 1, 2 y 4 que cuando se recubre un material orgánico distinto de PEG-b-PEDOT sobre el exterior del material compuesto o se recubre sobre un nanotubo de carbono como material de recubrimiento de nanotubo de carbono, se redujeron la sobretensión y la reactividad incluso en comparación con el ejemplo comparativo 1 sin ningún recubrimiento.
Con referencia a la figura 6, se encontró a través de la comparación de los materiales compuestos de azufrecarbono del ejemplo 1 y el ejemplo comparativo 3 que cuando se recubre PEG-b-PEDOT sobre el exterior del material compuesto de azufre/carbono, el efecto fue inferior en comparación con el ejemplo 1 en el que se recubrió PEG-b-PEDOT sobre CNT.
Con referencia a la figura 7, se encontró a través de la comparación de los materiales compuestos de azufrecarbono del ejemplo comparativo 1 y el ejemplo comparativo 4 que cuando se usa un material con un grupo funcional (fuente de -N) capaz de unirse a LiPS entre los diversos materiales, no sólo la masa añadida es mayor que la del PEG-b-PEDOT del ejemplo, sino que también la reactividad es menor que la del ejemplo comparativo 1 sin ningún recubrimiento.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES i. Material compuesto de azufre-carbono que comprende: un material de carbono poroso que comprende superficies interiores y exteriores recubiertas con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones; y azufre presente sobre al menos una porción de los poros internos y sobre una superficie del material de carbono poroso, en donde el material compuesto de azufre-carbono contiene azufre y el material de carbono poroso en una razón en peso de 9:1 a 7:3.
  2. 2. Material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 1, en donde el polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones comprende uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEG (poli(etilenglicol))y poli(óxido de etileno); y uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEDOT (poli(3,4-etilendioxitiofeno)), tiofeno y pirrol.
  3. 3. Material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 1, en donde el polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones es un compuesto de fórmula 1 a continuación:
    en donde x e y son las razones de los respectivos monómeros, x es de 0 a 1, y es 1-x, y R y R’ son cada uno independientemente un grupo hidrocarburo Ci a C20.
  4. 4. Material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 1, en donde el contenido del polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones es del 0,5 al 5,0 % en peso con respecto al peso total del material compuesto de azufre-carbono.
  5. 5. Material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 1, en donde la cantidad de carga de azufre es de 5 mAh/cm2 o más.
  6. 6. Material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 1, en donde el material de carbono poroso es al menos uno de grafito, grafeno, negro de carbono, nanotubo de carbono, fibra de carbono y carbono activado.
  7. 7. Electrodo positivo para una batería secundaria de litio que comprende el material compuesto de azufrecarbono según la reivindicación 1.
  8. 8. Método para preparar un material compuesto de azufre-carbono que comprende las etapas de: (a) preparar un material de carbono poroso recubierto con un polímero que comprende un grupo funcional conductor de iones y un grupo funcional conductor de electrones mezclando un material de carbono poroso en una disolución que comprende un polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones y luego secando el resultante; (b) preparar un material compuesto de azufre-carbono mezclando azufre con el material de carbono poroso recubierto y secado, mezclándose el azufre y el material de carbono poroso en una razón en peso de 9:1 a 7:3, y (c) tratar térmicamente la mezcla resultante.
  9. 9. Método para preparar el material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 8, en donde el material de carbono poroso es al menos uno de grafito, grafeno, negro de carbono, nanotubo de carbono, fibra de carbono y carbono activado.
  10. 10. Método para preparar el material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 8, en donde el polímero que comprende el grupo funcional conductor de iones y el grupo funcional conductor de electrones comprende uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEG y poli(óxido de etileno); y uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en PEDOT, tiofeno y pirrol.
  11. 11. Método para preparar el material compuesto de azufre-carbono según la reivindicación 8, en donde el disolvente de la disolución es etanol y/o tetrahidrofurano.
  12. 12. Batería secundaria de litio que comprende el electrodo positivo según la reivindicación 7, un electrodo negativo y un electrolito.
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