CN108417893B - 高循环稳定性的锂硫电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高循环稳定性的锂硫电解液。所述的电解液由体积比为1:1的乙二醇二甲醚和1,3二氧戊环组成的醚类有机溶剂，0.5～2M锂盐和质量分数为0.1～1％的碳量子点组成。本发明通过向电解液中添加碳量子点作为添加剂，碳量子点捕获溶解多硫化锂形成阻隔层，阻止多硫化锂的进一步溶出，使得电池的具有超高的稳定性能。同时碳量子点阻止后续的多硫化锂溶解扩散，避免多硫化锂到达金属锂负极并与之反应发生穿梭效应，使得电池具有较高的库伦效率和稳定的循环性能。本发明的锂硫电解液工艺简单，成本低廉，适用于产业化。
Description
技术领域
本发明属于电池电解液材料技术领域，涉及一种锂硫电池电解液，具体涉及一种高循环稳定性的锂硫电解液。
背景技术
基于嵌入反应的锂离子电池(LIBs)已经达到了它们能力密度的极限，无法满足快速发展的电动汽车、大尺寸储能设备和先进的便携式电子设备的需求。锂硫电池(Li-S)因为在能量密度上拥有压倒性的优势，被认为是下一代电化学能源储存技术中很有希望的候选者。除此之外，硫的高天然丰度、廉价、对环境友好等优点，使得锂硫电池比目前的锂离子电池更具有吸引力和商业竞争力。可是，一系列的问题仍然阻碍着锂硫二次电池的实际应用，包括活性材料利用率低、循环寿命短、自放电快和库伦效率低。硫与其放电最终产物(Li2S/Li2S2)的绝缘性及循环过程中中间产物多硫化物的溶解是导致锂硫电池性能不佳的两个主要原因。
为阻止多硫化物的迁移并提高活性物质硫的利用率，研究者们针对硫正极、电解液、隔膜和锂金属负极已经展开大量的工作。虽然在很大程度上抑制了多硫化物的溶解，抑制了锂硫电池的穿梭效应，但所采用的方法往往工艺复杂，成本较高，难以产业化应用。现今，商业化的锂硫电池电解液由乙二醇二甲醚(DME)和1,3二氧戊环(DOL)醚类有机溶剂，锂盐(三氟甲磺酸锂或者双三氟甲烷磺酰亚胺锂)以及电解液添加剂硝酸锂组成，在一定程度上抑制了多硫化物与锂负极的反应，但电池依然存在多硫化锂溶解于电解液导致容量大幅衰减的问题。开发低成本而高效的锂硫电解液是一个十分可行的方向。中科院大连化物基于软硬酸碱理论，通过向电解液中加入N-甲基，N-乙基吡咯烷酮(MEP)使得电池高能量密度的情况下，在100圈后的容量保持率达到65％，在一定程度上抑制了多硫化锂的歧化。然而，这并没有大幅度提高锂硫电池的循环稳定性(Chen Y,et al.PolysulfideStabilization:A Pivotal Strategy to Achieve High Energy Density Li–SBatteries with Long Cycle Life[J].Advanced Functional Materials,2018.)。
发明内容
本发明目的在于提供一种高循环稳定性的锂硫电解液。
实现本发明目的的技术方案如下：
高循环稳定性的锂硫电解液，包括以下组分：
体积比为1:1的乙二醇二甲醚(DME)和1,3二氧戊环(DOL)组成的醚类有机溶剂，0.5～2M锂盐，质量分数为0.1～1％的碳量子点。
优选地，所述的碳量子点选自氮掺杂碳量子点，硼掺杂碳量子点，硫掺杂碳量子点或磷掺杂碳量子点。
优选地，所述的锂盐为三氟甲磺酸锂或者双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
优选地，所述的锂盐的浓度为0.5～1M。
优选地，所述的量子点的质量分数为0.1～0.5％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过向电解液中添加碳量子点作为提高锂硫电池循环寿命的添加剂，碳量子点会捕获溶解多硫化锂形成阻隔层，阻止多硫化锂的进一步溶出，使得电池的具有超高的稳定性能。碳量子点含有极性较强的N和O元素，或含有B、S和P元素，对多硫化锂分子中的Li有很强的化学吸附效果，可以捕获反应生成溶解在电解液中的多硫化锂，形成稳定多硫化锂/碳量子点界面。多硫化锂/碳量子点界面附着在正极内部及表面，阻止后续的多硫化锂溶解扩散，避免多硫化锂到达金属锂负极并与之反应发生穿梭效应，使得电池具有较高的库伦效率和稳定的循环性能。同时，本发明的锂硫电解液工艺简单，成本低廉，大大降低了制备高循环稳定性锂硫电池的成本，产业化前景广阔。
附图说明
图1为实施例1制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。
图2为实施例1制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。
图3为实施例2制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。
图4为实施例3制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。
图5为实施例4制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。
图6为实施例5制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。
图7为实施例6制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。
图8为实施例7制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。
图9为实施例8制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。
图10为对比例1和实施例1电池的电化学循环性能图。
图11为对比例2电池的电化学倍率性能图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
实施例1
将0.1mol的三氟甲磺酸锂放入手套箱中进行充分干燥后，加入100mL体积比为的1:1的乙二醇二甲醚和1,3二氧戊环醚类混合有机溶剂中，进行充分的搅拌，直到完全溶解，再加入0.5g碳量子点，搅拌分散均匀后得到棕黄色锂硫电解液。
图1为实施例1制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。从图中可以看出该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为1049，947，842和644mAhg-1，当再用小倍率0.2C进行充电时依然有1100mAh g-1，表明电池具有较好的倍率性能和循环稳定性。
图2为实施例1制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。从图中可以看出从图中可以看出，在1C的电流密度下，充放电起始容量为874.3mAh g-1，循环300圈后，仍有810mAh g-1的比容量，几乎没有容量衰减，表现出优异的循环稳定性。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是：加入0.1g碳量子点，得到亮黄色的电解液。
图3为实施例2制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。从图中可以看出该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为1041，853，790和610mAhg-1，当再用小倍率0.2C进行充电时依然稳定在1030mAh g-1，表明电池具有较好的倍率性能和循环稳定性。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是加入1g碳量子点，得到深棕色的电解液。
图4为实施例3制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。从图中可以看出该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为1000，820，760和650mAhg-1，当再用小倍率0.2C进行充电时依然稳定在910mAh g-1，表明电池具有较好的倍率性能和循环稳定性。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是将0.1mol的三氟甲磺酸锂换为双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
图5为实施例4制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。从图中可以看出该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为1025，870，810和720mAhg-1，当再用小倍率0.2C进行充电时依然稳定在950mAh g-1，表明电池具有较好的倍率性能和循环稳定性。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是将碳量子点换成硼掺杂碳量子点。
图6为实施例5制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学倍率性能图。该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为960，810，680和510mAh g-1，当再用小倍率0.2C进行充电时依然稳定在920mAh g-1，表明电池具有较好的倍率性能和循环稳定性。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是将碳量子点换成氮掺杂碳量子点。
图7为实施例6制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。该电池在0.5C进行充放电的起始比容量为825mAh g-1，循环80圈后稳定在830mAh g-1，表明电池具有较好的循环稳定性。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是将碳量子点换成硫掺杂碳量子点。
图8为实施例7制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。该电池在0.5C进行充放电的起始比容量为740mAh g-1，循环100圈后稳定在760mAh g-1，表明电池具有较好的循环稳定性。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，唯一不同的是将碳量子点换成磷掺杂碳量子点。
图9为实施例8制备的锂硫电解液应用于锂硫电池的电化学循环性能图。该电池在0.5C进行充放电除第一圈的起始比容量为765mAh g-1，循环100圈后稳定在750mAhg-1，表明电池具有较好的循环稳定性。
对比例1
本对比例采用商业化的锂硫电解液，与实施例1不同的是：将添加剂碳量子点硝酸锂。
图10为对比例1和实施例1电池的电化学循环性能图。从图中可以看出没有加碳量子点的商业化常用锂硫电解液电池的起始容量与实施例1相当，约为860mAh g-1，当循环60圈后，对比例1的电池比容量衰减到750mAh g-1，而实力1的电池没有丝毫衰减，表明加入碳量子点对于提升电池的循环稳定性有着极大的帮助。
对比例2
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是加入5g碳量子点，得到黑色的电解液。
图11为对比例2电池的电化学倍率性能图。该电池在0.2，0.5，1和2C进行充放电的比容量分别为705，610，530和390mAh g-1，当再用小倍率0.2C进行充电时比容量为在650mAhg-1，表明电解液中加入过多的碳量子点会导致电池的比容量偏低，循环稳定性也没有明显优势。
Claims (5)
1.高循环稳定性的锂硫电解液，其特征在于，包括以下组分：
体积比为1:1的乙二醇二甲醚和1,3二氧戊环组成的醚类有机溶剂，0.5～2M锂盐，质量分数为0.1～1％的碳量子点。
2.根据权利要求1所述的锂硫电解液，其特征在于，所述的碳量子点选自氮掺杂碳量子点，硼掺杂碳量子点，硫掺杂碳量子点或磷掺杂碳量子点。
3.根据权利要求1所述的锂硫电解液，其特征在于，所述的锂盐为三氟甲磺酸锂或者双三氟甲烷磺酰亚胺锂。
4.根据权利要求1所述的锂硫电解液，其特征在于，所述的锂盐的浓度为0.5～1M。
5.根据权利要求1所述的锂硫电解液，其特征在于，所述的碳量子点的质量分数为0.1～0.5％。
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| WO2017100758A1 (en) * | 2015-12-10 | 2017-06-15 | Cornell University | Organized nanoparticulate and microparticulate coatings and methods of making and using same |
-
2018
- 2018-02-09 CN CN201810131123.7A patent/CN108417893B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102405551A (zh) * | 2009-02-20 | 2012-04-04 | 索尼公司 | 电解质、使用该电解质的电池和它们的使用方法以及电解质的制造方法 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108417893A (zh) | 2018-08-17 |
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