CN111668550A - 锂硫电池 - Google Patents
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Abstract
提供一种锂硫电池，所述锂硫电池的液硫比为2.5‑3.5，且电解液中锂盐浓度0.05‑0.4mol/L。本发明提出一种低液硫比的锂硫电池，以提高锂硫电池的能量密度。进一步，在低液硫比条件下，降低电解液中锂盐的浓度，可使得锂硫电池放电过程中产生的多硫化物更容易溶解在电解液中，从而可以促进放电反应的正向进行，使电池放电容量提升；同时通过降低锂盐浓度，电解液的密度也随之降低，从而可以进一步提高电池的能量密度。
Description
技术领域
本发明属于化学电源领域，具体涉及一种锂硫电池。
背景技术
为进一步提升锂硫电池能量密度，可通过提高锂硫电池放电容量、提高正极载硫量、降低液硫比(降低注液量)等。此外，在锂硫电池中，电解液的质量往往占电池总质量的40％左右，所以降低电池注液量(降低液硫比)是提高电池能量密度的关键。但当液硫比低于3后，电池的充放电则会受到影响。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明提供一种锂硫电池。
本发明一方面提供一种锂硫电池，所述锂硫电池的液硫比为2.5-3.5，且电解液中锂盐浓度0.05-0.4mol/L。
本发明提出一种低液硫比的锂硫电池，以提高锂硫电池的能量密度。进一步，在低液硫比条件下，降低电解液中锂盐的浓度，可使得锂硫电池放电过程中产生的多硫化物更容易溶解在电解液中，从而可以促进放电反应的正向进行，使电池放电容量提升；同时通过降低锂盐浓度，电解液的密度也随之降低，从而可以进一步提高电池的能量密度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作详细说明。
本专利中“液硫比”是指锂硫电池中电解液的注入质量与正极活性物质硫的质量比。
本发明的锂硫电池，锂硫电池的液硫比为2.5-3.5，且电解液中锂盐浓度0.05-0.4mol/L。
为了促进锂硫电池能量密度的提升，本发明通过降低液硫比，可以减少电解液的用量，从而降低电池整体质量，使电池能量密度提升。进一步，在低液硫比条件下，本发明提出一种低锂盐浓度的锂硫电池电解液。发明人发现，电解液中的锂盐浓度降低后，可使得锂硫电池放电过程中产生的多硫化物更容易溶解在电解液中，从而可以促进放电反应的正向进行，使电池放电容量提升；另外，发明人发现，电解液浓度和电解液的密度之间存在正相关，通过降低锂盐浓度，还可以使电解液的密度也随之降低，密度降低后，同等体积的电解液，质量也会下降，从而可以进一步提高电池的能量密度。锂硫电池目前的注液量主要通过液硫比来确定，因为锂硫电池电解液的量占电池总重量的40％左右，为开发高能量密度锂硫电池，液硫比往往要控制≤3.5。常规的1mol/L的电解液在电池的液硫比低于3后，电池性能会恶化，所以尽可能的降低液硫比是开发高能量密度锂硫电池的关键。
当锂硫电池电解液中锂盐浓度从1mol/L降低至0.05mol/L时，电解液的密度从1.15g/cm3降低至0.902g/cm3。假设在5Ah电池中，以1mol/L的电解液，液硫比为3.5作为基准(按同质量注液)，实际注液质量为17.5g、实际注液体积为15.2mL，那么0.05mol/L电解液的电池实际注液体积则为19.4mL，相比1mol/L的电解液多4.2mL；如果以同体积注液，0.05mol/L电解液的电池注液体积也为15.2mL，则实际注液质量为13.68g、实际液硫比为2.74。所以，本发明可以降低锂硫电池液硫比，从而提高电池能量密度。
在本发明的一实施方式中，液硫比为2.5-3.0，锂盐浓度为0.05-0.1mol/L。如上所述，液硫比越低越有利于提高电池能量密度，但液硫比低于2.5时电池的循环性能急剧变差，所以液硫比的下限为2.5。同样的理由，电解液中锂盐浓度越低，多硫化物的溶解度越大，但锂盐浓度低则离子导电率过低，因此电解液中锂盐浓度的下限是0.05mol/L。
电解液中锂盐的种类可以是任何适用于锂硫电池的锂盐。
在本发明的又一实施方式中，电解液离子电导率＞10-3S/cm。当电解液中离子电导率低于10-3S/cm，电池性能受到严重影响。
以下通过实施例和对比例来详细解释说明本发明的发明构思。如无特别说明，以下实施例和对比例中所使用的试剂均为市售的化学试剂。
实施例1
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.05mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
组装5Ah软包锂硫电池。电池正极由活性物质：导电剂：粘结剂＝86：8：6组成，其中活性物质为硫碳复合材料，导电剂为Super P，粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF。负极为锂片。电解液采用上述配置的电解液，液硫比(E/S)为2.74。隔膜为PP隔膜。电池组装完成后，静置12h后采用蓝电充放电测试设备在常温下首次进行0.05C/0.05C放/充电，然后在0.2C/0.2C下进行放/充电，测试结果详见表2。
实施例2
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.1mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为2.8外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
实施例3
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.25mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为2.87外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
实施例4
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.4mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为3外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
对比例1
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为1mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为3.5外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
对比例2
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.6mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为3.16外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
对比例3
将乙二醇二甲醚(DME)与1,3-二氧戊环以体积比1:1混合，然后在电解液中添加双三氟甲烷磺酰亚胺锂为锂盐，其浓度为0.04mol/L，均匀搅拌至锂盐全部溶解。然后添加硝酸锂作为添加剂，其添加量为2％，均匀搅拌至硝酸锂全部溶解。得到的一种超低浓度的锂硫电池电解液，然后对其电导率及密度测试，测试结果详见表1。
除液硫比(E/S)为2.74外，以实施例1相同的方式组装5Ah软包锂硫电池。并以实施例1相同的方式对组装的电池进行测试，测试结果详见表2。
表1各实施例与对比例电解液电导率及密度
表2各实施例与对比例电池参数
注：实施例1-4与对比例2-3中液硫比是通过对比例1中电池注液量通过等体积注液换算而来。
从表1和2所示数据可以看出，实施例1-4的锂硫电池电解液中锂盐的浓度在0.05-0.4mmol/L时，与高于该浓度范围的锂硫电池(对比例1-2)和低于该浓度范围的锂硫电池(对比例3)，首次放电容量和能量密度都得到较大提高。并且，数据也证明采用低浓度(0.05-0.4mmol/L)锂盐的电解液，可以降低锂硫电池的液硫比，从而提高电池的能量密度。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种锂硫电池，其特征在于，所述锂硫电池的液硫比为2.5-3.5，且电解液中锂盐浓度0.05-0.4mol/L。
2.根据权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述液硫比为2.5-3.0，所述锂盐浓度为0.05-0.1mol/L。
3.根据权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述电解液离子电导率＞10-3S/cm。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 166 Kejiao Road, Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant after: AVIC Innovation Technology Research Institute (Jiangsu) Co.,Ltd. Address before: 166 Kejiao Road, Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant before: Kaibo Energy Technology Co.,Ltd. Address after: 166 Kejiao Road, Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant after: Kaibo Energy Technology Co.,Ltd. Address before: 166 Kejiao Road, Jintan District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant before: CHINA AVIATION LITHIUM BATTERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200915 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |