CN106876788A - 一种锂硫电池电解液 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂硫电池电解液,其组成包括一种或者二种以上直链脂肪醚和一种或者二种以上锂盐；这种电解质溶液具有优异的阻硫性能，循环稳定性好、价格低等优点。

Description

一种锂硫电池电解液
技术领域
本发明涉及锂硫电池领域，具体地说，涉及的锂硫电池电解液。
背景技术
近几十年来，锂离子电池的商业化，极大地促进了电子设备如手机、笔记本等的在生活中的广泛应用。但是锂离子电池的能量密度的普遍不高，这也限制了其在电动车、大规模储能等方面的应用。因此，人们正着手开发更高比容量的电池，如锂空、锂硫电池。其中锂硫电池更接近商业化。
硫的理论比能量密度为2500Whkg-1，2800WhL-1。而且硫价格便宜、资源丰富、环境友好，因为锂硫电池有希望成为下一代商业化电池。
研究发现，目前锂硫电池的主要问题是容量衰减。电池容量衰减的原因有：(1)穿梭效应。电池在充电时，溶解在电解液里的长链多硫根离子能逐渐扩散到负极，并被还原成短链多硫根离子，接着一部分短链多硫根离子重新迁移扩散到正极，再被还原成长链多硫根离子。这样反复的过程即为“穿梭效应”；(2)扩散到负极的多硫根离子可能会被进一步还原成不易溶解的硫化锂或硫化二锂。这样不但造成活性物质的损失，而且会阻止锂离子的传导，电池极化严重；(3)电池的活性物质硫或者硫化锂在正极的不可逆沉积也是电池容量衰减的原因之一。
综上所述，多硫化物的无序扩散是电池容量衰减的根本原因。为了解决上述问题，人们主要从三个方面对电池进行研究。1)、正极材料方面，将炭与硫通过物理方法或者化学方法进行包覆混合而阻止多硫化物向负极扩散。2)、电解质方面，通过减少多硫化物在电解液中的溶解扩散。3)、负极方面，通过在电解液中添加物质，使其在负极表面形成保护膜的方法抑制多硫化物的穿梭效应。Yuriy V.Mikhaylik等(Pub.No.:US 2011/0059350 Al)提出了硝酸盐能够抑制多硫化物的穿梭。其作用机理是在锂片负极表面形成保护膜，有效提高了电池的库仑效率。进而提高电池的容量稳定性。Zhan Lin等(Adv.Funct.Mater.2012.DOI:10.1002/adfm.201200696)提出了在电解液中添加五硫化磷，不但能在锂片负极表面形成保护膜，而且能溶解不可逆沉积的硫化锂，电池稳定性有一定提高，但是五硫化磷对多硫化物的溶解也可能增加电池的“飞梭”效应。最近L.F.Nazar等[Energy Environ.Sci.DOI:10.1039/c4ee00372a]发现了一类对多硫化物完全不溶解液的电解液。尽管电池的放电平台比常用的DME/DOL类型的电解液，但是电池的容量稳定性却要好于后者。但是文章在电解液中添加了大量的LiTFSI锂盐，这样将大幅增加电池的价格，对电池的商业化不利。
发明内容
本发明的目的是提供了一种电解质溶液。这种电解质溶液具有优异的阻硫性能，循环稳定性好、价格低等优点。
为实现上述目的，采用的具体的技术方案如下，
一种锂硫电池电解液，电解液组成包括：
(1)、一种或者多种直链脂肪醚。
所述的直链脂肪醚可为以下结构的一种或者几种：
CαH2α+1-O-CβH2β+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1-O-CθH2θ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1-O-CθH2θ+1-O-CμH2μ+1
其中，α，β，γ，δ，ε，ζ，η，θ，μ可为正整数。可以相同，也可以不同，取值范围为1-12，其中较优的是4-9；
(2)、一种或者多种锂盐；
所述的锂盐浓度为0.1-10摩尔/升。优选的是0.2-3摩尔/升。
所述的锂盐包括，但不限于以下一种或者多种：LiN(SO3CF3)2、LiN(SO3CF2CF3)2、LiSO3CF3、LiBr、LiI、LiPF6、LiBOB。其中优选的是LiN(SO3CF3)2、LiSO3CF3、LiBOB。
(3)、电解质溶液中还可包括但不限于二氧六环、二氧戊环、四氢呋喃等环状醚类化合物。其与直链脂肪醚共同作为电解质溶液的溶剂，环状醚类化合物与直链脂肪醚类化合物的体积比1：20-20：1。
这种电解质溶液具有优异的阻硫性能，循环稳定性好、价格低等优点。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步阐述本发明，而不是限制本发明。
所用的直链脂肪醚例如下所示。这是所用的直链脂肪醚的举例，但不限于此。
C5H11-O-C5H11直链脂肪醚 (1)
C2H5-O-C3H6-O-C2H5直链脂肪醚 (2)
C3H7-O-C3H6-O-C3H6-O-C3H7 直链脂肪醚 (3)
C4H9-O-C2H4-O-C2H4-O-C2H4-O-C4H9 直链脂肪醚 (4)
C5H11-O-C2H4-O- C4H8-O- C2H4-O- C4H8-O- C2H4-O- C4H8-O-C2H4-O- C5H11直链脂肪醚 (5)
式1
实施例1
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(1)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例2
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(2)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例3
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(3)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例4
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(4)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例5
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(5)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例6
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(5)(如式1所示)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为2mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例7
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(1)(如式1所示)；锂盐为LiSO3CF3，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例8
电解质溶液组成：直链脂肪醚为直链脂肪醚(2)(如式1所示)；锂盐为LiSO3CF3，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例9
电解质溶液组成：溶剂为直链脂肪醚为直链脂肪醚(2)(如式1所示)和二氧戊环(体积比1：1)；锂盐为LiSO3CF3，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
实施例10
电解质溶液组成：溶剂为直链脂肪醚为直链脂肪醚(3)(如式1所示)和二氧戊环(体积比1：1)；锂盐为LiN(SO3CF2CF3)2，浓度为1mol/L；
锂硫电池的负极是厚度为50微米的锂箔，正极采用以下方法制备：30质量份数的Super P炭、60质量份数的单质硫、10质量份数(固含量)的丁腈橡胶乳液共混，涂覆到铝箔上。烘干后正极活性层中的硫含量为1.5毫克/平方厘米。将上述的组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照30微升/每平方厘米正极面积添加电解液后密封。静止5小时后，相对于正极活性物质硫的质量，分别以0.1C、1C进行电池充放电。充电的截止电压为2.8V，放电的截止电压为1.5V。进行100次循环。考察电池最初比容量，100次循环后比容量以及电池库仑效率。实验结果如表1所示。
表1
结果表明，此类型的锂硫电池电解液，具有很好的容量稳定性和库仑效率。具有很好的应用前景。

Claims (3)

1.一种锂硫电池电解液，其特征在于：
其组成包括：
(1)、一种或者二种以上直链脂肪醚；
所述的直链脂肪醚可为以下结构的一种或者二种以上：
CαH2α+1-O-CβH2β+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1-O-CθH2θ+1
CαH2α+1-O-CβH2β-O-CγH2γ-O-CδH2δ-O-CεH2ε-O-CζH2ζ+1-O-CηH2η+1-O-CθH2θ+1-O-CμH2μ+1
其中：α，β，γ，δ，ε，ζ，η，θ，μ为正整数；可以相同，也可以不同，取值范围为1-12；其中较优的是4-9；
(2)、一种或者二种以上锂盐；
所述的锂盐包括以下中的一种或者二种以上：LiN(SO3CF3)2、LiN(SO3CF2CF3)2、LiSO3CF3、LiBr、LiI、LiPF6、LiBOB；其中优选的是LiN(SO3CF3)2、LiSO3CF3、LiBOB中的一种或者二种以上。
2.按照权利要求1所述锂硫电池电解液，其特征在于：所述的锂盐浓度为0.1-10摩尔/升；优选的是0.2-3摩尔/升。
3.按照权利要求1或2所述锂硫电池电解液，其特征在于：所述锂硫电池电解液中还包括二氧六环、二氧戊环、四氢呋喃等环状醚类化合物中的一种或二种以上；其与直链脂肪醚共同作为电解质溶液的溶剂，环状醚类化合物与直链脂肪醚类化合物的体积比1：20-20：1。
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