TW201530845A - 用於鋰硫電池之電解質 - Google Patents

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Abstract

一用於鋰硫電池之電解質，其包括至少一鋰鹽及至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。

Description

用於鋰硫電池之電解質 發明領域
本發明有關一用於鋰硫電池之電解質。本發明亦有關一鋰硫電池。本發明更有關製造鋰硫電池的方法。
發明背景
一典型的鋰硫電池包含一由鋰金屬或一鋰金屬合金形成的陽極(負極)與一由元素硫或其他電活性硫材料形成的陰極(正極)。此硫或其他含電活性硫材料可與一導電材料如碳混合以增進其導電性。典型地，研磨碳及硫並接著以一溶劑與一結合劑混合以形成一漿料。此漿料施用至一電流收集器並接著乾燥以去除溶劑。壓光此產生的結構以形成一複合材料，其裁切成所需的形狀以形成一陰極。一隔離物置於陰極上且一鋰陽極置於隔離物上。導入電解質至電池中以濕潤陰極及隔離物。
鋰硫電池為二次電池，且可經由施加一外部電流至電池而充電。此型式的可再充電電池具有一廣範圍的潛在應用，且當開發鋰硫二次電池時一重要考量為電池有效週期壽命的最大化。
發明概要
一種用於鋰硫電池的電解質，其包含至少一鋰鹽及至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
在描述本發明之一特定實施例前，應瞭解本發明並未限制為本文描述之特定電池、方法或材料。亦應瞭解本文使用的術語僅為用於描述特定的實施例而非用於限制，而保護的範圍為以申請專利範圍及其等效者限定。
在描述及主張本發明之電池與方法之專利範圍中，使用下列術語：單數形式‘一(a)’、‘一(an)’、及‘此(the)’除非特別指明為包括複數形式。因此，例如當提及‘陽極(anode)’時包括提及一或一以上之此元件。
依本發明之一態樣，其提供一用於鋰硫電池之電解質，其包括至少一鋰鹽及至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
依本發明之另一態樣，其提供一鋰硫電池，其包括：一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極； 一含有電活性硫材料與固態導電材料之混合物的陰極；一多孔隔離物；及一含有至少一鋰鹽及至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質。
依本發明之又一態樣，其提供一種用於製造主張專利之鋰硫電池的方法，該方法包括：導入一含有至少一鋰鹽及至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質至一電池組合件中，該組合件包含一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極、一含有電活性硫材料與固態導電材料之陰極、及一多孔隔離物。
有利地，已發現本發明之電解質增加鋰硫電池之充放電容量。咸信在本發明電解質中的界面活性劑提供陰極與隔離物二者的濕潤性。此導致電池容量的增加與增進電池的速率與週期性質，如壽命週期。
雖然已可商業取得具有界面活性劑塗層的隔離物，已發現本發明電解質的使用可增進週期壽命且亦不僅允許使用一廣範圍之隔離物且允許在其最佳化條件下使用合宜的界面活性劑。
亦已發現當在電解質中存在界面活性劑時，電解質利於更容易的浸泡入陰極中，更有效的濕潤陰極。當電解質浸泡入陰極中時，所用留在電活性硫材料與固態導電材料中的所有空氣會被置換。界面活性劑不存在下，陰極的滲入作用較不有效，且因此在陰極結構中仍維持空氣包。 在電液中界面活性劑的加入亦利於防止或減少電解質的滲漏，例如在鋰硫電池的結構期間，此因為該改進的滲透性與陰極的濕潤作用。
如前文的討論，依本發明的一態樣，其提供一種用於鋰硫電化學電池的電解質，其包含至少一鋰鹽及至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
較佳地，界面活性劑在電解質中的濃度為0.75-2.25wt%間，更較佳為在1.25-1.75wt%間，例如1.5wt%。
較佳地，此界面活性劑為非離子界面活性劑。合宜的界面活性劑包括長鏈醇(如脂肪醇、十六烷基醇、硬脂醇，鯨蠟硬脂醇十八烯醇)；醇乙氧基化物(例如的Tergitol15-S-5、-7及-9)；聚氧乙二醇烷基醚(的Brij)，例如八乙二醇單十二烷基醚及五乙二醇單十二烷基醚；聚氧丙二醇烷基醚；葡糖苷烷基醚，例如癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基糖苷；聚氧乙二醇辛基酚醚，例如TritonX-100；聚氧乙二醇烷基苯酚醚類，例如Nonxynol-9；甘油烷基酯，例如月桂酸甘油酯；聚氧乙二醇山梨醇酐烷基酯、山梨醇酐烷基酯、椰油醯胺MEA、椰油醯胺DEA、十二烷基環氧乙烷、聚乙二醇及聚丙二醇(泊洛沙姆(poloxamers))與聚乙氧基牛脂胺(POEA)的嵌段共聚物。較佳地，此界面活性劑不包含氟。較佳地，此界面活性劑不為一以下式表示之氟系界面活性劑： 其中R為一氫、一乙醯基、一甲基、或一苯甲醯基；且m與n為2至20的整數。
較佳地，該界面活性劑為選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物。在一實施例中，界面活性劑為一醇氧化物、一聚乙二醇烷醚(例如聚乙二醇十二烷醚)或一聚氧乙烯烷醚(例如氧乙烯烷十八烯醚醚或氧乙烯烷十二基醚)。
在一較佳實施例中，界面活性劑為一醇乙氧化物，例如二級醇乙氧化物。例如該二級醇乙氧化物可具有下通式：C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，其中x為5至9的整數，例如5、7或9。
在一實施例中，該界面活性劑具有下式： 其中x為5至9的整數，例如5、7或9，較佳為5。此一實施例之合宜範例包括以商標Tergitol15-S販售者，例如Tergitol15-S-5、Tergitol15-S-7及Tergitol15-S-9。
不欲受任何理論限制，可使用醇乙氧化物(例如 前述之二級醇乙氧化物)改進鋰硫電池之放電容量及/或週期效率。含有此界面活性劑的電解質已發現能更有效率濕潤由例如聚丙烯及/或聚乙烯形成的隔離物。此又可以改進電池的電化學性能。在某此些實施例中，當電解質包含一碸溶劑，例如環丁碸時，此效用特別明顯。環丁碸典型為黏稠且不能有效濕潤電池的隔離物。然而，當一醇乙氧化物分散在一碸溶劑(例如環丁碸)時，可明顯改進溶劑的濕潤能力。
合宜的鋰鹽包括六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸鋰、三氟甲烷磺酸鋰(CF3SO3Li)及雙(草酸)硼酸鋰(LiB(C2O4)2)的至少一者。較佳的鋰鹽為三氟甲烷磺酸鋰。
合宜之用於電解質的有機溶劑為四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯、甲基丙基丙酸酯、乙基丙基丙酸酯、甲基乙酸酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊環(1,3-dioxolane)、二乙二醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)、四乙二醇二甲醚、碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、γ-丁內酯、二氧戊環、六甲基磷醯胺、吡啶、二甲亞碸、三丁基磷酸酯、三甲基磷酸酯、N,N,N,N-四乙基磺醯胺與碸及其等之混合物。較佳地，有機溶劑為一碸或碸的混合物。碸的範例為二甲基碸與環丁碸。可使用環丁碸為單一溶劑或與例如其他碸之組合。
可用於電解質的有機溶劑應為能夠溶解例如具有式Sn2-之多硫化物種，其中n=2至12，其係在電池放電期間電活性硫材料還原時形成。
在一實施例中，電解質包含三氟甲烷磺酸鋰及環丁碸。
在電解質中鋰鹽的濃度較佳為0.1至5M，更佳為0.5至3M，例如1M。鋰鹽較佳以一至少70%飽和度之濃度存在，較佳至少80%，更較佳為至少90%，例如95%至99%。
如前文討論，依本發明之另一態樣，其提供一種鋰硫電化學電池，其包括一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極；一含有電活性硫材料與固態導電材料之混合物的陰極；一多孔隔離物；及一含有至少一鋰鹽、至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質。
本發明的電化學電池可為任何合宜之鋰硫電池。此電池包括一陽極、一陰極、一電解質及一多孔隔離物，其可有利地置於陽極與陰極間。此陽極由鋰金屬或鋰金屬合金形成。較佳地，此陽極為一金屬箔電極，如鋰箔電極。此鋰箔由鋰金屬或鋰金屬合金形成。
電化學電池的陰極包括電活性硫材料與導電材料之混合物。此混合物形成電活性層，其可置於與一電流收集器接觸。
電活性硫材料可包含元素硫、硫系有機化合物、硫系無機化合物及含硫聚合物。較佳為使用元素硫。
固態導電材料可為任何合宜的導電材料。較佳地， 固態導電材料可由碳形成。範例包括碳黑、碳纖維、石墨烯及奈米碳管。其他合宜的材料包括金屬(例如小片、填充物及粉末)及導電聚合物。較佳使用碳黑。
電活性硫材料及導電材料的混合物可以在一溶劑(例如水或一有機溶劑)中的漿料形式施用至一電流收集器。接著去除此溶劑，壓光此產生的結構以形成一複合材料，其裁切成所需的形狀以形成一陰極。一隔離物置於陰極上且一鋰陽極置於隔離物上。接著導入電解質至電池中以濕潤陰極及隔離物。
或者，在陰極形成後，電解質塗覆在陰極上。接著隔離物置於已塗覆的陰極上，且陽極置於隔離物上。
如前文討論，此電池包含一電解質。此電解質存在或分散於電極間，允許電荷在陽極與陰極間傳遞。較佳地，此電解質濕潤陰極的孔洞以及隔離物的孔洞。
電解質包含至少一鋰鹽、至少一有機溶劑及一界面活性劑。合宜的鋰鹽包括六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸鋰、三氟甲烷磺酸鋰(CF3SO3Li)及雙(草酸)硼酸鋰(LiB(C2O4)2)的至少一者。較佳的鋰鹽六氟甲烷磺酸鋰。
合宜之用於電解質的有機溶劑為四氫呋喃、2-甲基六氫呋喃、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯、甲基丙基丙酸酯、乙基丙基丙酸酯、甲基乙酸酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊環、二乙二 醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)、四乙二醇二甲醚、碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、γ-丁內酯、二氧戊環、六甲基磷醯胺、吡啶、二甲亞碸、三丁基磷酸酯、三甲基磷酸酯、N,N,N,N-四乙基磺醯胺與碸及其等之混合物。較佳地，有機溶劑為一碸或碸的混合物。較佳地，有機溶劑為一碸或碸的混合物。碸的範例為二甲基碸與環丁碸。環丁碸可以單一溶劑使用或與例如其他碸組合使用。
可用於電解質的有機溶劑應為能夠溶解例如具有式Sn2-之多硫化物種，其中n=2至12，其係在電池放電期間電活性硫材料還原時形成。
在一實施例中，電解質包含三氟甲烷磺酸鋰及環丁碸。
在電解質中鋰鹽的濃度較佳為0.1至5M，更佳為0.5至3M，例如1M。鋰鹽較佳以一至少70%飽和度之濃度存在，較佳至少80%，更較佳為至少90%，例如95%至99%。
較佳地，此界面活性劑為非離子界面活性劑。合宜的界面活性劑包括長鏈醇(如脂肪醇、十六烷基醇、硬脂醇，鯨蠟硬脂醇十八烯醇)；醇乙氧基化物(例如的Tergitol 15-S-5、-7及-9)；聚氧乙二醇烷基醚(的Brij)，例如八乙二醇單十二烷基醚及五乙二醇單十二烷基醚；聚氧丙二醇烷基醚；葡糖苷烷基醚，例如癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基糖苷；聚氧乙二醇辛基酚醚，例如TritonX-100；聚氧乙二醇烷基苯酚醚類，例如Nonxynol-9；甘油烷基酯，例如月桂酸甘油酯；聚氧乙二醇山梨醇酐烷基酯、山梨醇酐 烷基酯、椰油醯胺MEA、椰油醯胺DEA、十二烷基環氧乙烷、聚乙二醇及聚丙二醇(泊洛沙姆(poloxamers))與聚乙氧基牛脂胺(POEA)的嵌段共聚物。較佳地，此界面活性劑不包含氟。較佳地，此界面活性劑不為一以下式表示之氟系界面活性劑 其中R為一氫、一乙醯基、一甲基、或一苯甲醯基；且m與n為2至20的整數。
較佳地，該界面活性劑為選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物。在一實施例中，界面活性劑為一醇氧化物、一聚乙二醇烷醚(例如聚乙二醇十二烷醚)或一聚氧乙烯烷醚(例如氧乙烯烷十八烯醚醚或氧乙烯烷十二基醚)。
在一較佳實施例中，界面活性劑為一醇乙氧化物，例如二級醇乙氧化物。例如該二級醇乙氧化物可具有下通式：C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，其中x為5至9的整數，例如5、7或9。
在一實施例中，該界面活性劑具有下式 其中x為5至9的整數，例如5、7或9，較佳為5。此一實施例之合宜範例包括以商標Tergitol 15-S販售者，例如Tergitol 15-S-5、Tergitol 15-S-7及Tergitol 15-S-9。
不欲受任何理論限制，可使用醇乙氧化物(例如前述之二級醇乙氧化物)改進鋰硫電池之放電容量及/或週期效率。含有此界面活性劑的電解質已發現能更有效率濕潤由例如聚丙烯及/或聚乙烯形成的隔離物。此又可以改進電池的電化學性能。在某此些實施例中，當電解質包含一碸溶劑，例如環丁碸時，此效用特別明顯。環丁碸典型為黏稠且不能有效濕潤電池的隔離物。然而，當一醇乙氧化物分散在一碸溶劑(例如環丁碸)時，可明顯改進溶劑的濕潤能力。
較佳地，界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%，更較佳為在1.25-2.25wt%間，例如1.75wt%。在一實施例中，該界面活性劑在電解質中的濃度為0.75wt%。
較佳地，該界面活性劑以一相對於隔離物之重量的3-35wt%之量存在，較佳為5-20wt%，例如10-15wt%。
在一實施例中，電解質包含至少一鋰鹽與至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
隔離物可包含任何合宜之允許離子在電池之電 極間移動之多孔基材。此隔離物應置於電極間以防止電極間的直接接觸。基材的孔隙度應為至少30%，較佳為至少50%，例如高於60%。較佳地，隔離物的孔隙度40-60%，更佳為45-55%，例如50%。合宜的隔離物包括一由聚合材料形成的篩網。合宜的聚合物包括聚丙烯、尼龍及聚乙烯。非織物之聚丙烯特別適用。亦可以使用多層的隔離物。
較佳地，隔離物為選自非織物之聚丙烯及聚乙烯。
較佳地，隔離物的通透性為小於300格利(Gurley)，更較佳為小於250格利，例如200格利。
此隔離物較佳為沒有界面活性劑塗層。例如，此隔離物為不含有至少一選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷基醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物。
如前文討論，依本發明之另一態樣，其提供一用於製造本文界定之鋰硫電池的方法，該方法包括：導入一含有至少一鋰鹽及至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質的電池組合件中，該組合件包含一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極、一含有電活性硫材料與固態導電材料之陰極、及一多孔隔離物。
在本發明之一較佳實施例中，電解質經由將電解質塗覆在陰極上、將隔離物置於已塗覆之陰極上並將一陽極置於該隔離物上而併入。此塗層可以任何合宜的方法進行，例如藉由將電解質噴塗、擠壓、澆注及/或塗佈於活性 硫材料上。
或者，可製造包含一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極、一含有電活性硫材料與固態導電材料之陰極、及一多孔隔離物之電池組成件，及接著導入一含有至少一鋰鹽、至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質至該電池組成件中。
在電解質導入該電池組成件後，該電池可密封於例如一包殼中。此包殼可為水密及/或氣密。合宜的包殼包括袋。
較佳地，此陽極為一金屬箔電極，如鋰箔電極。
電化學電池的陰極包括電活性硫材料與導電材料之混合物。此混合物形成電活性層，其可置於與一電流收集器接觸。
電活性硫材料可包含元素硫、硫系有機化合物、硫系無機化合物及含硫聚合物。較佳為使用元素硫。
固態導電材料可為任何合宜的導電材料。較佳地，固態導電材料可由碳形成。範例包括碳黑、碳纖維、石墨烯及奈米碳管。其他合宜的材料包括金屬(例如小片、填充物及粉末)及導電聚合物。較佳使用碳黑。
此電解質包含至少一鋰鹽，至少一有機溶劑及一界面活性劑。合宜的鋰鹽包括六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸鋰、三氟甲烷磺酸鋰(CF3SO3Li)及雙(草酸)硼酸鋰(LiB(C2O4)2)的至少一者。較佳的鋰鹽為 三氟甲烷磺酸鋰。
合宜之用於電解質的有機溶劑為四氫呋喃、2-甲基六氫呋喃、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯、甲基丙基丙酸酯、乙基丙基丙酸酯、甲基乙酸酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊環、二乙二醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)、四乙二醇二甲醚、碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、γ-丁內酯、二氧戊環、六甲基磷醯胺、吡啶、二甲亞碸、三丁基磷酸酯、三甲基磷酸酯、N,N,N,N-四乙基磺醯胺與碸及其等之混合物。較佳地，有機溶劑為一碸或碸的混合物。碸的範例為二甲基碸與環丁碸。可使用環丁碸為單一溶劑或與例如其他碸之組合。
可用於電解質的有機溶劑應為能夠溶解例如具有式Sn2-之多硫化物種，其中n=2至12，其係在電池放電期間電活性硫材料還原時形成。
在一實施例中，電解質包含三氟甲烷磺酸鋰及環丁碸。
在電解質中鋰鹽的濃度較佳為0.1至5M，更佳為0.5至3M，例如1M。鋰鹽較佳以一至少70%飽和度之濃度存在，較佳至少80%，更較佳為至少90%，例如95%至99%。
較佳地，此界面活性劑為非離子界面活性劑。合宜的界面活性劑包括長鏈醇(如脂肪醇、十六烷基醇、硬脂醇，鯨蠟硬脂醇十八烯醇)；醇乙氧基化物(例如的Tergitol 15-S-5、-7及-9)；聚氧乙二醇烷基醚(的Brij)，例如八乙二醇單十二烷基醚及五乙二醇單十二烷基醚；聚氧丙二醇烷 基醚；葡糖苷烷基醚，例如癸基葡糖苷、月桂基葡糖苷和辛基糖苷；聚氧乙二醇辛基酚醚，例如TritonX-100；聚氧乙二醇烷基苯酚醚類，例如Nonxynol-9；甘油烷基酯，例如月桂酸甘油酯；聚氧乙二醇山梨醇酐烷基酯、山梨醇酐烷基酯、椰油醯胺MEA、椰油醯胺DEA、十二烷基環氧乙烷、聚乙二醇及聚丙二醇(泊洛沙姆(poloxamers))與聚乙氧基牛脂胺(POEA)的嵌段共聚物。較佳地，此界面活性劑不包含氟。較佳地，此界面活性劑不為一以下式表示之氟系界面活性劑： 其中R為一氫、一乙醯基、一甲基、或一苯甲醯基；且m與n為2至20的整數。
較佳地，該界面活性劑為選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物。在一實施例中，界面活性劑為一醇氧化物、一聚乙二醇烷醚(例如聚乙二醇十二烷醚)或一聚氧乙烯烷醚(例如氧乙烯烷十八烯醚醚或氧乙烯烷十二基醚)。
在一較佳實施例中，界面活性劑為一醇乙氧化物。一實施例為2-十二烷氧基乙醇(Brij-30)。其他實施例包括二級醇乙氧化物。例如該二級醇乙氧化物可具有下通式：C12-14H25-29[CH2CH2O]xH， 其中x為5至9的整數，例如5、7或9。
在一實施例中，該界面活性劑具有下式： 其中x為5至9的整數，例如5、7或9，較佳為5。此界面活性劑之合宜範例包括以商標Tergitol15-S販售者，例如Tergitol 15-S-5(x=5)、Tergitol 15-S-7(x=7)及Tergitol 15-S-9(x=9)。
不欲受任何理論限制，可使用醇乙氧化物(例如前述之二級醇乙氧化物)改進鋰硫電池之放電容量及/或週期效率。含有此界面活性劑的電解質已發現能更有效率濕潤由例如聚丙烯及/或聚乙烯形成的隔離物。此又可以改進電池的電化學性能。在某此些實施例中，當電解質包含一碸溶劑，例如環丁碸時，此效用特別明顯。環丁碸典型為黏稠且不能有效濕潤電池的隔離物。然而，當一醇乙氧化物分散在一碸溶劑(例如環丁碸)時，可明顯改進溶劑的濕潤能力。
較佳地，界面活性劑在電解質中的濃度為0.75-3wt%，更較佳為在1.25-2.25wt%間，例如1.75wt%。
較佳地，該界面活性劑以一相對於隔離物之重量的3-35wt%之量存在，較佳為5-20wt%，例如10-15wt%。
在一實施例中，電解質包含至少一鋰鹽與至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
隔離物可包含任何合宜之允許離子在電池之電極間移動之多孔基材。此隔離物應置於電極間以防止電極間的直接接觸。基材的孔隙度應為至少30%，較佳為至少50%，例如高於60%。較佳地，隔離物的孔隙度40-60%，更佳為45-55%，例如50%。合宜的隔離物包括一由聚合材料形成的篩網。合宜的聚合物包括聚丙烯、尼龍及聚乙烯。非織物之聚丙烯特別適用。亦可以使用多層的隔離物。
較佳地，隔離物為選自非織物之聚丙烯及聚乙烯。
較佳地，隔離物的通透性為小於300格利(Gurley)，更較佳為小於250格利，例如200格利。
此隔離物較佳為沒有界面活性劑塗層。例如，此隔離物為不含有至少一選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷基醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物的塗層。
實施例 實施例1
在此實施例中，在數個週期測定二鋰硫電池的充電及放電容量。此電池由一鋰陽極及一含有70%硫、10%碳黑及20%聚環氧乙烷(PEO)的正極組成。每一電池亦分別含有：
(i)一Celgard3501隔離物(具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰(三氟甲磺酸酯)組成的電解質(不含有添加的界面活性劑)。
(ii)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與前述(i)之含有添加界面活性劑的電解質。加入的界面活性劑為咪唑啉與聚乙二醇。
如從圖1可見，電池(i)的充電及放電容量降低速率大於電池(ii)者。後者具有一含有添加界面活性劑之電解質。
實施例2
在此實施例中，在數個週期下測量多個本發明之鋰硫電池的放電容量。電池分別含有：
(i)一Celgard2500隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tergitol 15-S-5為界面活性劑。
(ii)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tergitol 15-S-5為界面活性劑。
(iii)一CelgardEM2000隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tergitol15-S-5為界面活性劑。
在數個週期測定含有Celgard3501隔離物(具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質(不含界面活性劑)之電池的放電容量。在每一電池中之每一電解質的界面活性劑濃度為約2wt%。
結果顯示於圖2。如從圖2可見，電池(i)至(iii)之放電容量降低的速率與含有Celgard3501隔離物之電池比較 為較低。
實施例3
在此實施例中，數個在環丁碸之1M三氟甲磺酸鋰的電解質中具有不同界面活性劑(Tergitol15-S-5)濃度之鋰硫電池於組裝後約24小時進行預循環(在標準條件下循環直至其發展的容量達到全值)。在預循環後，測定第一放電容量。在接著預循環後亦測定一含有Celgard3501隔離物(具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質參考電池的第一放電容量。
如表1可見，界面活性劑濃度低於0.5wt%，在接著預循環的電阻過高且放電容量非常低。
實施例4
在此實施例中，在數個週期下測量多個本發明之鋰硫電池的放電容量。電池分別含有：
(i)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加 Tergitol 15-S-5為界面活性劑。
(ii)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加4-n-p-p乙二醇(4-壬基苯基-聚乙二醇)為界面活性劑。
在每一電池中之每一電解質的界面活性劑濃度為約2wt%。
放電容量以前述電池(i)為最高。
實施例5
在此實施例中，在數個週期下測量多個鋰硫電池的放電容量。電池分別含有：
(i)一Celgard2500隔離物(具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質。
(ii)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tergitol15-S-5為界面活性劑。電解質中界面活性劑的濃度為2.23wt%。
(iii)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Brij30(2-十二烷氧基乙醇)為界面活性劑。電解質中界面活性劑的濃度為2.23wt%。
(iv)一TorayV20CFD隔離物(不具界面活性劑塗層)與一在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tween40(聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯)為界面 活性劑。電解質中界面活性劑的濃度為2.23wt%。
結果顯示於圖3。如從圖3可見，對於含有醇乙氧化物為界面活性劑(ii)與(iii)的電池之放電容量降低的速率較低。
實施例6
在此實施例中，在數個週期下測量多個鋰硫電池的放電容量。電池分別含有：
(i)一含有在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質。
(ii)一含有在環丁碸中1M三氟甲磺酸鋰的電解質，其中添加Tergitol 15-S-5為界面活性劑。電解質中界面活性劑的濃度為1.5wt%。
(iii)一含有在甲基戊二腈(MGN)中1M三氟甲磺酸鋰的電解質電解質，其中添加Tergitol15-S-5為界面活性劑。電解質中界面活性劑的濃度為1.5wt%。
電池(i)未循環。電池(ii)及(iii)循環。然而，如由圖4可見，電池(ii)的放電特性為優於電池(iii)的放電特性。咸信此因為在醇乙氧化物界面活性劑與環丁碸間的協同效用。

Claims (17)

  1. 一種用於鋰硫電池的電解質，其包含至少一鋰鹽及至少一有機溶劑；及一界面活性劑，其中該界面活性劑在電解質中的濃度為0.5-3wt%。
  2. 如請求項1之電解質，其中該溶劑為選自四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯、乙基甲基碳酸酯、甲基丙基碳酸酯、甲基丙基丙酸酯、乙基丙基丙酸酯、甲基乙酸酯、二甲氧基乙烷、1,3-二氧戊環、二乙二醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)、四乙二醇二甲醚、碳酸伸乙酯、碳酸伸丙酯、γ-丁內酯、二氧戊環、六甲基磷醯胺、吡啶、二甲亞碸、三丁基磷酸酯、三甲基磷酸酯、N,N,N,N-四乙基磺醯胺與碸及其等之混合物。
  3. 如請求項1或2之電解質，其中該界面活性劑為非離子界面活性劑。
  4. 如請求項3之電解質，其中該界面活性劑為選自二級醇乙氧化物、四乙二醇十二烷醚、矽氧二醇、咪唑啉、聚氧乙烯失水山梨醇單棕櫚酸酯及聚氧乙烯壬基苯醚及其等之混合物。
  5. 如請求項4之電解質，其中該至少一鋰鹽為選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、過氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲烷磺醯亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2))、四氟硼酸鋰、三氟甲烷磺酸鋰(CF3SO3Li)及雙(草酸)硼酸鋰(LiB(C2O4)2)。
  6. 如前述請求項任一項之電解質，其中界面活性劑在電解質中的濃度為0.75-3.0wt%間。
  7. 一種鋰硫電化學電池，其包括：一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極；一含有電活性硫材料與固態導電材料之混合物的陰極；一多孔隔離物；及一含有至少一鋰鹽、至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質。
  8. 如請求項7之電池，其中該隔離物包含一由聚合物材料形成的篩網。
  9. 如請求項8之電池，其中該聚合物材料為選自聚丙烯、尼龍及聚乙烯或其等之組合。
  10. 如請求項7至9中任一項之電池，其中該隔離物的孔隙度為40-60%。
  11. 如請求項7至10中任一項之電池，其中該隔離物的通透性為小於300格利(Gurley)。
  12. 如請求項8至11中任一項之電池，其中該界面活性劑以相對隔離物重量之3-35wt%的量存在。
  13. 如請求項7至12中任一項之電池，其中該電解質為一如請求項1至6中任一項之電解質。
  14. 如請求項13之電池，其中該界面活性劑為二級醇乙氧化物及可具有下通式：C12-14H25-29[CH2CH2O]xH，其中x為5至9的一整數，例如5、7或9且該電解質包含一 碸作為有機溶劑。
  15. 如請求項14之電池，其中該碸為環丁碸。
  16. 一種用於製造如請求項7至15中任一項界定之鋰硫電池的方法，該方法包括：導入一含有至少一鋰鹽、至少一有機溶劑與一界面活性劑的電解質至一電池組合件中，該電池組合件包含一含有鋰金屬或鋰金屬合金之陽極、一含有電活性硫材料與固態導電材料之陰極，及一多孔隔離物。
  17. 如請求項16之方法，其包含將該電解質塗覆在該陰極上、將該隔離物置於已塗覆之陰極上並將該陽極置於該隔離物上。
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