CN105830259A - 用于锂硫电池的电解质 - Google Patents

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Abstract

一种用于锂硫电池的电解质，所述电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂；其中，所述电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。

Description

用于锂硫电池的电解质
技术领域
本发明涉及一种用于锂硫电池的电解质。本发明还涉及一种锂硫电池。本发明进一步涉及一种用于生产锂硫电池的方法。
背景技术
典型的锂-硫电池包括由锂金属或锂金属合金形成的阳极(负极)，和由单质硫或其他电活性硫材料形成的阴极(正极)。硫或其它含硫电活性材料可与导电材料例如碳混合，以提高其导电性。通常，将碳和硫磨碎，然后与溶剂和粘合剂混合以形成浆料。将该浆料施用于集流体，然后干燥以除去溶剂。将所得到的结构压延以形成复合结构，将该复合结构切成所需形状以形成阴极。将隔膜(separator)设置在阴极上并且将锂阳极设置在该隔膜上。将电解质引入到电池中以润湿阴极和隔膜。
锂硫电池是二次电池，并且可以通过对电池施加外部电流进行再充电。这类可再充电电池具有广泛的潜在应用，并且在开发锂-硫二次电池时一个重要的考虑因素是使电池的有用循环寿命最大化。
发明内容
在描述本发明的具体实施例之前，应当理解，本公开并不限于本文公开的具体的电池、方法或材料。也应当理解，本文中使用的术语仅用于描述具体实施例，而不用于限制，因为保护范围将由权利要求书及其等同物来限定。
在描述和要求保护本发明的电池和方法时，将使用下列术语：除非上下文另有明确说明，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式。因此，例如，“阳极”包括一个或多个这样的元件。
根据本发明的一个方面，提供一种用于锂硫电池的电解质，所述电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂；其中，电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。
根据本发明的另一个方面，提供了一种锂硫电池，所述锂硫电池包括：
阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；
阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；
多孔隔膜；以及
电解质，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于生产所要求保护的锂硫电池的方法，所述方法包括：
将电解质引入到电池组件中，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂，所述电池组件包括阳极、阴极和多孔隔膜，所述阳极包括锂金属或锂金属合金，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物。
据发现，根据本发明的电解质有利地提高了锂硫电池的充电容量和放电容量。据认为，根据本发明的电解质中的表面活性剂提高了隔膜和阴极的润湿性。这提高了电池容量，并改善了电池的速率和循环性质(诸如循环寿命)。
尽管具有表面活性剂涂层的隔膜是可商购的，但是据发现，使用本发明的电解质提供了改善的循环寿命，并且不仅使隔膜能够广泛应用，还使得合适的表面活性剂能够在其最佳条件下使用。
据发现，当电解质中存在表面活性剂时，电解质有利地更容易地渗入到阴极中，更有效地润湿阴极。随着电解质渗入阴极，其替代了电活性硫材料和固体导电材料的混合物中包裹(trap)的任何空气。在没有表面活性剂的情况下，对阴极的渗透可能不太有效，结果空气的包可保留在阴极结构中。将表面活性剂加入到电解质中的优点还在于：例如在构建锂硫电池期间，由于改善的渗透和阴极润湿，而防止或降低了电解质的泄漏。
如上所讨论，根据本发明的一个方面，提供一种用于锂硫电化学电池的电解质，电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂；其中，电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。
优选地，电解质中表面活性剂的浓度为0.75wt％至2.25wt％，更优选为1.25wt％至1.75wt％，例如为1.5wt％。
优选地，表面活性剂为非离子表面活性剂。合适的表面活性剂包括：长链醇(诸如脂肪醇、鲸蜡醇、硬脂醇、鲸蜡硬脂醇和油醇)；醇乙氧基化物(例如，Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7和Tergitol15-S-9)；聚氧乙烯乙二醇烷基醚(Brij)，例如，八乙二醇单十二烷基醚和五乙二醇单十二烷基醚；聚丙二醇烷基醚；葡糖苷烷基醚，例如，癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基葡糖苷；聚乙二醇辛基酚醚，例如，TritonX-100；聚氧乙二醇烷基酚醚，例如，壬苯醇醚(nonxynol-9)；甘油烷基酯，例如，月桂酸甘油酯；聚氧乙烯二醇山梨糖醇烷基酯，山梨醇酐烷基酯，椰油酰胺MEA，椰油酰胺DEA，十二烷基环氧乙烷，聚乙二醇和聚丙二醇(泊洛沙姆)的嵌段共聚物以及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。优选地，表面活性剂不含有氟。优选地，表面活性剂不是下式表示的氟基表面活性剂：
其中，R为氢、乙酰基、甲基或苯甲酰基；并且m和n为2至20的整数。
优选地，表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯、和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。在一个实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基醚(例如聚乙二醇十二烷基醚)或聚氧乙烯烷基醚(例如聚氧乙烯油基醚或聚氧乙烯月桂基醚)。
在优选的实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物，例如，仲醇乙氧基化物。例如，仲醇乙氧基化物可具有以下通式：
C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，
其中，x为5至9的整数，例如，5、7或9。
在一个实施方式中，表面活性剂具有下式：
其中，x为5至9的整数，例如5、7或9，优选为5。这种表面活性剂的合适的实例包括以商标名Tergitol15-S出售的那些产品，诸如Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7和Tergitol15-S-9。
不希望受到任何理论的束缚，醇乙氧基化物(例如，如上所述的仲醇乙氧基化物)可用于改善锂硫电池的放电容量和/或循环效率。据发现，包含这种表面活性剂的电解质能够更有效地润湿例如聚丙烯和/或聚乙烯形成隔膜。进而可改善电池的电化学性能。在一些实施方式中，当电解质包括砜溶剂，例如环丁砜时，效果是尤其显著的。环丁砜典型地是粘稠的，并且不太能有效地润湿电池的隔膜。然而，当醇乙氧基化物分散在砜(例如环丁砜)溶剂中时，可大大改善溶剂的润湿能力。
合适的锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)，三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸锂、三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)以及二草酸硼酸锂(LiB(C2O4)2)中的至少一种。优选地，锂盐为三氟甲磺酸锂。
在电解质中使用的合适的有机溶剂是四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊环、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)、四甘醇二甲醚、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、二氧戊环、六甲基磷酰胺、吡啶、二甲亚砜、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N,N,N,N-四乙基磺酰胺和砜，以及它们的混合物。优选地，上述有机溶剂为砜或砜的混合物。砜的实例为二甲基砜和环丁砜。环丁砜可作为唯一的溶剂使用或例如与其它砜组合使用。
在电解质中使用的有机溶剂应能够溶解在电池放电过程中电活性硫材料还原时形成的多硫化物，例如，式Sn 2-的多硫化物物质，其中n＝2至12。
在一个实施方式中，电解质包括三氟甲磺酸锂和环丁砜。
电解质中锂盐的浓度优选地为0.1M至5M，更选0.5M至3M，例如1M。锂盐优选地以饱和浓度的至少70％、优选至少80％、更优选至少90％，例如95％至99％的浓度存在。
如上所讨论，根据本发明的另一个方面，提供了一种锂硫电化学电池，所述锂硫电化学电池包括：阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；多孔隔膜；以及电解质，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂以及表面活性剂。
本发明的电化学电池可为任何合适的锂硫电池。电池包括：阳极、阴极、电解质以及可有利地放置在阳极和阴极之间的多孔隔膜。阳极由锂金属或锂金属合金形成。优选地，阳极是金属箔电极，诸如锂箔电极。锂箔可由锂金属或锂金属合金形成。
电化学电池的阴极包括电活性硫材料和导电材料的混合物。该混合物形成电活性层，其可设置为与集流体接触。
上述电活性硫材料可包括单质硫、硫类有机化合物、硫类无机化合物和含硫聚合物。优选使用单质硫。
上述固体导电性材料可以是任何合适的导电材料。优选地，该固体导电材料可由碳形成。实例包括炭黑、碳纤维、石墨烯和碳纳米管。其它合适的材料包括金属(例如薄片、碎屑和粉末)以及导电聚合物。优选使用炭黑。
电活性硫材料和导电性材料的混合物可施用于在溶剂(例如水或有机溶剂)中的浆料形式的集流体。然后可将溶剂除去，并将所得到的结构压延以形成复合结构，将该复合结构切成所需形状以形成阴极。将隔膜放置在阴极上并且将锂阳极放置在该隔膜上。然后可将电解质引入到组装的电池中以湿润阴极和隔膜。
或者，在形成阴极之后，可将电解质涂覆在阴极上。可随后将隔膜放置在经涂覆的阴极上，将阳极放置在该隔膜上。
如上所讨论，上述电池包括电解质。电解质存在于或设置在电极之间，使电荷能够在阳极和阴极之间转移。优选地，电解质润湿阴极的孔以及隔膜的孔。
电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂。合适的锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)，三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸锂、三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)以及二草酸硼酸锂(LiB(C2O4)2)中的至少一种。优选地，锂盐为三氟甲磺酸锂。
在电解质中使用的合适的有机溶剂是四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊环、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)、四甘醇二甲醚、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、二氧戊环、六甲基磷酰胺、吡啶、二甲亚砜、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N,N,N,N-四乙基磺酰胺和砜，以及它们的混合物。优选地，上述有机溶剂是砜或砜的混合物。砜的实例是二甲基砜和环丁砜。环丁砜可作为唯一的溶剂使用或例如与其他砜组合使用。在一个实施方式中，电解质包括三氟甲磺酸锂和环丁砜。
在电解质中使用的有机溶剂应能够溶解在电池放电过程中电活性硫材料还原时形成的多硫化物物质，例如，式Sn 2-的多硫化物物质，其中n＝2至12。
在一个实施方式中，电解质包括三氟甲磺酸锂和环丁砜。
电解质中锂盐的浓度优选地为0.1M至5M，更选0.5M至3M，例如1M。锂盐优选地以饱和浓度的至少70％、优选至少80％、更优选至少90％，例如95％至99％的浓度存在。
优选地，表面活性剂为非离子表面活性剂。合适的表面活性剂包括长链醇(诸如脂肪醇、鲸蜡醇、硬脂醇、鲸蜡硬脂醇和油醇)；醇乙氧基化物(例如，Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7和Tergitol15-S-9)；聚氧乙烯乙二醇烷基醚(Brij)，例如，八乙二醇单十二烷基醚和五乙二醇单十二烷基醚；聚丙二醇烷基醚；葡糖苷烷基醚，例如，癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基葡糖苷；聚乙二醇辛基酚醚，例如，TritonX-100；聚氧乙二醇烷基酚醚，例如，壬苯醇醚(nonxynol-9)；甘油烷基酯，例如，月桂酸甘油酯；聚氧乙烯二醇山梨糖醇烷基酯，山梨醇酐烷基酯，椰油酰胺MEA，椰油酰胺DEA，十二烷基环氧乙烷，聚乙二醇和聚丙二醇(泊洛沙姆)的嵌段共聚物以及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。优选地，表面活性剂不含有氟。优选地，表面活性剂不是下式表示的氟基表面活性剂：
其中，R为氢、乙酰基、甲基或苯甲酰基；并且m和n为2至20的整数。
优选地，表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯、和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。在一个实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基醚(例如聚乙二醇十二烷基醚)或聚氧乙烯烷基醚(例如聚氧乙烯油基醚或聚氧乙烯月桂基醚)。
在优选的实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物，例如，仲醇乙氧基化物。例如，仲醇乙氧基化物可具有以下通式：
C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，
其中，x为5至9的整数，例如，5、7或9。
在一个实施方式中，表面活性剂具有下式：
其中，x为5至9的整数，例如5、7或9，优选为5。这种表面活性剂的合适的实例包括以商标名Tergitol15-S出售的那些产品，诸如Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7和Tergitol15-S-9。
不希望受到任何理论的束缚，醇乙氧基化物(例如，如上所述的仲醇乙氧基化物)可用于改善锂硫电池的放电容量和/或循环效率。据发现，包含这种表面活性剂的电解质能够更有效地润湿例如聚丙烯和/或聚乙烯形成的隔膜。进而可改善电池的电化学性能。在一些实施方式中，当电解质包括砜溶剂，例如环丁砜时，效果是尤其显著的。环丁砜典型地是粘稠的，并且不太能有效地润湿电池的隔膜。然而，当醇乙氧基化物分散在砜(例如环丁砜)溶剂中时，可大大改善溶剂的润湿能力。
优选地，电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％，更优选为1.25wt％至2.25wt％，例如为1.75wt％。在一个实施方式中，电解质中表面活性剂的浓度为0.75wt％。
优选地，相对于隔膜的重量，表面活性剂以3wt％至35wt％、更优选5wt％至20wt％，例如10wt％至15wt％的量存在。
在一个实施方式中，电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂；其中，电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。
该隔膜可包括任何合适的允许离子在电池电极之间移动的多孔基材。该隔膜应设置在电极之间以防止电极之间的直接接触。基材的孔隙率应为至少30％，优选至少50％，例如，大于60％。优选地，隔膜的孔隙率为40％至60％，更优选45％至55％，例如50％。合适的隔膜包括由聚合物材料形成的网状物。合适的聚合物包括聚丙烯、尼龙和聚乙烯。特别优选无纺聚丙烯。可以使用多层隔膜。
优选地，隔膜选自无纺聚丙烯和聚乙烯。
优选地，隔膜的渗透度小于300葛尔莱(Gurley)，更优选小于250葛尔莱，例如200葛尔莱。
隔膜优选地没有含表面活性剂的涂层。例如，隔膜可没有含有至少一种表面活性剂的涂层，该至少一种表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯、和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。
如上所讨论，根据本发明的一个方面，提供了一种生产本文中所限定的锂硫电池的方法，所述方法包括：将电解质并入到电池组件中，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂，所述电池组件包括阳极、阴极和多孔隔膜，所述阳极包括锂金属或锂金属合金，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物。
在本发明的优选实施方式中，通过将电解质涂覆在阴极上来将电解质引入到电池组件中，将隔膜放置在经涂覆的阴极上以及将阳极放置在隔膜上。该涂覆步骤可以以任何合适的方式进行，例如，通过将电解质喷涂、挤延、浇注和/或铺设到活性硫材料上。
或者，可生产电池组件，所述电池组件包括阳极、阴极、多孔隔膜以及后续引入到电池组件中的电解质，所述阳极包括锂金属或锂金属合金，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物，所述电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂。
在电解质引入到电池组件之后，可将电池密封在例如壳体中。该壳体可为防水和/或气密的。合适的壳体包括袋状物(pouches)。
优选地，阳极为金属箔电极，诸如锂箔电极。
电化学电池的阴极包括电活性硫材料和导电材料的混合物。该混合物形成电活性层，其可设置为与集流体接触。
上述电活性硫材料可包括单质硫、硫类有机化合物、硫类无机化合物和含硫聚合物。优选使用单质硫。
上述固体导电性材料可以是任何合适的导电材料。优选地，该固体导电材料可由碳形成。实例包括炭黑、碳纤维、石墨烯和碳纳米管。其它合适的材料包括金属(例如薄片、碎屑和粉末)以及导电聚合物。优选使用炭黑。
电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂以及表面活性剂。合适的锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸锂、三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)以及二草酸硼酸锂(LiB(C2O4)2)中的至少一种。优选地，锂盐为三氟甲磺酸锂。
在电解质中使用的合适的有机溶剂是四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊环、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)、四甘醇二甲醚、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、二氧戊环、六甲基磷酰胺、吡啶、二甲亚砜、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N,N,N,N-四乙基磺酰胺和砜，以及它们的混合物。优选地，上述有机溶剂为砜或砜的混合物。砜的实例为二甲基砜和环丁砜。环丁砜可作为唯一的溶剂使用或例如与其它砜组合使用。
在电解质中使用的有机溶剂应能够溶解在电池放电过程中电活性硫材料还原时形成的多硫化物物质，例如，式Sn 2-的多硫化物物质，其中n＝2至12。
在一个实施方式中，电解质包括三氟甲磺酸锂和环丁砜。
电解质中锂盐的浓度优选地为0.1M至5M，更选0.5M至3M，例如1M。锂盐优选地以饱和浓度的至少70％、优选至少80％、更优选至少90％，例如95％至99％的浓度存在。
优选地，表面活性剂为非离子表面活性剂。合适的表面活性剂包括长链醇(诸如脂肪醇、鲸蜡醇、硬脂醇、鲸蜡硬脂醇和油醇)；醇乙氧基化物(例如，Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7和Tergitol15-S-9)；聚氧乙烯乙二醇烷基醚(Brij)，例如，八乙二醇单十二烷基醚和五乙二醇单十二烷基醚；聚丙二醇烷基醚；葡糖苷烷基醚，例如，癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基葡糖苷；聚乙二醇辛基酚醚，例如，TritonX-100；聚氧乙二醇烷基酚醚，例如，壬苯醇醚(nonxynol-9)；甘油烷基酯，例如，月桂酸甘油酯；聚氧乙烯二醇山梨糖醇烷基酯，山梨醇酐烷基酯，椰油酰胺MEA，椰油酰胺DEA，十二烷基环氧乙烷，聚乙二醇和聚丙二醇(泊洛沙姆)的嵌段共聚物以及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。优选地，表面活性剂不含有氟。优选地，表面活性剂不是下式表示的氟基表面活性剂：
其中，R为氢、乙酰基、甲基或苯甲酰基；并且m和n为2至20的整数。
优选地，表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯、和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。在一个实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基醚(例如聚乙二醇十二烷基醚)或聚氧乙烯烷基醚(例如聚氧乙烯油基醚或聚氧乙烯月桂基醚)。
在优选的实施方式中，表面活性剂为醇乙氧基化物。一个实例为2-十二烷氧基乙醇(2-dodecoxyethanol)(Brij-30)。其它实例包括仲醇乙氧基化物。例如，仲醇乙氧基化物可具有以下通式：
C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，
其，中x为5至9的整数，例如，5、7或9。
在一个实施方式中，表面活性剂具有下式：
其中，x为5至9的整数，例如5、7或9，优选为5。这种表面活性剂的合适的实例包括以商标名Tergitol15-S出售的那些产品，诸如Tergitol15-S-5(x＝5)、Tergitol15-S-7(x＝7)和Tergitol15-S-9(x＝9)。
不希望受到任何理论的束缚，醇乙氧基化物(例如，如上所述的仲醇乙氧基化物)可用于改善锂硫电池的放电容量和/或循环效率。据发现，包含这种表面活性剂的电解质能够更有效地润湿例如聚丙烯和/或聚乙烯形成的隔膜。进而可改善电池的电化学性能。在一些实施方式中，当电解质包括砜溶剂，例如环丁砜时，效果是尤其显著的。环丁砜典型地是粘稠的，并且不太能有效地润湿电池的隔膜。然而，当醇乙氧基化物分散在砜(例如环丁砜)溶剂中时，可大大改善溶剂的润湿能力。
优选地，电解质中表面活性剂的浓度为0.75wt％至3wt％，更优选为1.25wt％至2.25wt％，例如为1.75wt％。
优选地，相对于隔膜的重量，表面活性剂以3wt％至35wt％、更优选5wt％至20wt％，例如10wt％至15wt％的量存在。
在一个实施方式中，电解质包括至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及表面活性剂；其中，电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。
该隔膜可包括任何合适的允许离子在电池电极之间移动的多孔基材。该隔膜应设置在电极之间以防止电极之间的直接接触。基材的孔隙率应为至少30％，优选至少50％，例如，大于60％。优选地，隔膜的孔隙率为40％至60％，更优选45％至55％，例如50％。合适的隔膜包括由聚合物材料形成的网状物。合适的聚合物包括聚丙烯、尼龙和聚乙烯。特别优选无纺聚丙烯。可以使用多层隔膜。
优选地，隔膜选自无纺聚丙烯和聚乙烯。
优选地，隔膜的渗透度小于300葛尔莱，更优选小于250葛尔莱，例如200葛尔莱。
隔膜优选地没有含表面活性剂的涂层。例如，隔膜可缺乏含有至少一种表面活性剂的涂层，该至少一种表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。
具体实施方式
实施例
实施例1
在实施例中，在若干次循环下，测量两个锂硫电池的充电容量和放电容量。利用锂阳极和正电极组装电极，其中，正电极包括70％的硫、10％的碳黑和20％的聚乙烯氧化物(PEO)。每个电池还分别包括：
(i)Celgard3501隔膜(涂覆有表面活性剂)和电解质，该电解质由环丁砜中的1M三氟甲磺酸锂(triflate)组成(不包括加入的表面活性剂)。
(ii)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和电解质，该电解质为包括加入的表面活性剂的上述(i)的电解质。加入的表面活性剂为咪唑啉和聚乙二醇。
由图1可以看出，电池(i)的充电容量和放电容量降低的速率均大于电池(ii)的充电容量和放电容量的降低速率。电池(ii)含有包括加入的表面活性剂的电解质。
实施例2
在该实施例中，在若干次循环下，测量根据本发明的各个锂硫电池的放电容量。这些电池分别包括：
(i)Celgard2500隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。
(ii)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。
(iii)CelgardEM2000隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)
在若干次循环下，还测量包括Celgard3501隔膜(涂覆有表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(不包括表面活性剂)的电池的放电容量。在各个电池中，每种电解质中的表面活性剂的浓度约为2wt％。
在图2中示出了该结果。由图2可以看出，与包括Celgard3501隔膜的电池相比，电池(i)至电池(iii)的放电容量的降低速率较低。
实施例3
在该实施例中，使若干个锂硫电池进行在其组装后的约24小时中进行预循环(在标准条件下循环，直至它们的容量发展至其全值)，其中，这些锂硫电池在环丁砜中的1M三氟甲磺酸锂的电解质中含有不同的表面活性剂(Tergitol15-S-5)浓度。在预循环之后，测量第一次放电容量。在预循环之后，还测量参比电池的放电容量，其中，该参比电池包括Celgard3501隔膜(具有表面活性剂涂层)和环丁砜中的1M三氟甲磺酸锂的电解质。
从表1可以看出，在低于0.5wt％的表面活性剂浓度下，在预循环后，电阻过高，而放电容量过低。
表1
实施例4
在该实施例中，在若干次循环下，测量根据本发明的各种锂硫电池的放电容量。这些电池分别包括：
(i)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。
(ii)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有4-n-p-p乙二醇(4-壬基苯基-聚乙二醇)作为表面活性剂)。
在每种电池中，各种电解质中的表面活性剂的浓度约为2wt％。
上述电池(i)具有最高的放电容量。
实施例5
在该实施例中，在若干循环中，测量各种锂硫电池的放电容量。这些电池分别包括：
(i)Celgard2500隔膜(涂覆有表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质。
(ii)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。电解质中表面活性剂的浓度为2.23wt％。
(iii)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Brij30(2-十二烷氧基乙醇)作为表面活性剂)。电解质中表面活性剂的浓度为2.23wt％。
(iv)TorayV20CFD隔膜(未涂覆表面活性剂)和环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有吐温40(聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯)作为表面活性剂)。电解质中表面活性剂的浓度为2.23wt％。
结果示出在图3中。从图3中可以看出，对于包括醇乙氧基化物作为表面活性剂的电池(ii)和电池(iii)，放电容量的降低速率较低。
实施例6
在该实施例中，在若干循环中，测量各种锂硫电池的放电容量。这些电池分别包括：
(i)包括环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质。
(ii)包括环丁砜中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。电解质中表面活性剂的浓度为1.5wt％。
(iii)包括甲基戊二腈(MGN)中1M三氟甲磺酸锂的电解质(在其中，加入有Tergitol15-S-5作为表面活性剂)。电解质中表面活性剂的浓度为1.5wt％。
上述电池(i)未发生循环。电池(ii)和电池(iii)发生循环。但是，由图4可以看出，电池(ii)的放电特性优于电池(iii)的放电特性。据认为，这是由于醇乙氧基化物表面活性剂与环丁砜之间的协同效应。

Claims (17)

1.一种用于锂硫电池的电解质，所述电解质包括：
至少一种锂盐和至少一种有机溶剂；以及
表面活性剂，其中，所述电解质中表面活性剂的浓度为0.5wt％至3wt％。
2.根据权利要求1所述的电解质，其中，所述溶剂选自四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊环、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚)、四甘醇二甲醚、碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、二氧戊环、六甲基磷酰胺、吡啶、二甲亚砜、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N,N,N,N-四乙基磺酰胺和砜，以及它们的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的电解质，其中，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的电解质，其中，所述表面活性剂选自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酸酯和聚氧乙烯壬基苯基醚，以及它们的混合物。
5.根据权利要求4所述的电解质，其中，所述至少一种锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸锂、三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)以及二草酸硼酸锂(LiB(C2O4)2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电解质，其中，所述电解质中表面活性剂的浓度为0.75wt％至3.0wt％。
7.一种锂硫电池，所述锂硫电池包括：
阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；
阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；
多孔隔膜；以及
电解质，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述隔膜包括由聚合物材料形成的网状物。
9.根据权利要求8所述的电池，其中，所述聚合物材料选自聚丙烯、尼龙和聚乙烯，或它们的组合。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的电池，其中，所述隔膜的孔隙率为40％至60％。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的电池，其中，所述隔膜的渗透度小于300葛尔莱。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的电池，其中，相对于所述隔膜的重量，所述表面活性剂以3wt％至35wt％的量存在。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的电池，其中，所述电解质为权利要求1至6中任一项所限定的电解质。
14.根据权利要求13所述的电池，其中，所述表面活性剂为仲醇乙氧基化物，所述仲醇乙氧基化物可具有通式：C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，
其中，x为5至9的整数，例如，5、7或9；并且所述电解质包括砜作为有机溶剂。
15.根据权利要求14所述的电池，其中，所述砜为环丁砜。
16.一种用于生产如权利要求7至15中任一项所述的锂硫电池的方法，所述方法包括：
将电解质引入到电池组件中，所述电解质包括至少一种锂盐、至少一种有机溶剂和表面活性剂，所述电池组件包括阳极、阴极和多孔隔膜，所述阳极包括锂金属或锂金属合金，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法包括将所述电解质涂覆在所述阴极上，将所述隔膜放置在经涂覆的所述阴极上，并且将所述阳极放置在所述隔膜上。
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