锂-硫电池用电解质和包含其的锂-硫电池制造技术

技术编号:18466782 阅读:81 留言:0更新日期:2018-07-18 16:25
本发明专利技术涉及一种锂‑硫电池用液体电解质和包含其的锂‑硫电池。根据本发明专利技术的锂‑硫电池用液体电解质表现出优异的稳定性,并且可以通过抑制锂‑硫电池运行期间的气体产生来改善溶胀现象。

Electrolyte for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery containing it

The invention relates to a liquid electrolyte for lithium sulfur batteries and a lithium sulfur sulfur battery containing the lithium sulfur battery. The lithium sulphur battery in accordance with the invention shows excellent stability by using liquid electrolyte, and can improve the swelling by inhibiting the production of gas during the operation of the lithium sulphur battery.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂-硫电池用电解质和包含其的锂-硫电池
本申请要求于2016年4月22日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2016-0049531号和2017年3月7日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0028619号的优先权和权益,通过参考将其完整内容并入本文中。本专利技术涉及用于锂-硫电池的液体电解质和包含其的锂-硫电池。
技术介绍
随着便携式电子设备、电动车辆和大容量电力存储系统近期的发展,出现了对大容量电池的需求。锂-硫电池是使用具有硫-硫键(S-S键)的硫系材料作为正极活性材料并使用锂金属作为负极活性材料的二次电池,且作为正极活性材料的主要材料的硫,具有资源非常丰富、无毒且原子量低的优点。此外,锂-硫电池的理论放电容量为1672mAh/g硫,且理论能量密度为2600Wh/kg,其与目前研究的其他电池系统的理论能量密度(Ni-MH电池:450Wh/kg,Li-FeS电池:480Wh/kg,Li-MnO2电池:1000Wh/kg,Na-S电池:800Wh/kg)相比是非常高的,因此作为具有高能量密度性能的电池而受到关注。然而,由于硫利用率低并因此不能确保足够容量作为理论容量,并且因锂金属电极形成枝晶而引起的电池短路问题,导致锂-硫电池至今尚未商业化。鉴于上述情况,为了解决这些问题,已经开发了具有增加的硫浸渍的正极材料、能够提高硫利用率的液体电解质等。作为锂-硫电池的液体电解质溶剂,目前最常使用1,3-二氧戊环(DOL)和1,2-二甲氧基乙烷(DME)的混合溶剂。使用所述溶剂的液体电解质在硫利用率方面具有优异的性能。然而,根据本专利技术的专利技术人的实验结果,观察到溶胀现象,其中在使用液体电解质运行电池的同时在内部产生气体并且电池发生溶胀。这种溶胀现象引起液体电解质损耗和电池变形,并且还引起活性材料从电极脱嵌,导致电池性能下降的问题。至今尚未确认由电池内部产生气体引起的这种溶胀现象的原因和产生机理,因此也没有对策。[现有技术文献]美国专利6218054号,Dioxolaneanddimethoxyethaneelectrolytesolventsystem(二氧戊环和二甲氧基乙烷电解质溶剂体系)
技术实现思路
技术问题鉴于上述情况,本专利技术的专利技术人已经对锂-硫电池的液体电解质溶剂组合物进行了研究,结果完成了本专利技术。因此,本专利技术的一个方面提供一种锂-硫电池用液体电解质,所述液体电解质显著减少电池运行期间的气体产生量。本专利技术的另一个方面提供一种包含所述液体电解质的锂-硫电池。技术方案根据本专利技术的一个方面,提供一种锂-硫电池用液体电解质,所述液体电解质包含锂盐和非水溶剂,其中所述非水溶剂包含在环状结构中包含一个氧的环醚以及线性醚,且在所述线性醚中,当使用DFTM06-2X方法计算时,C-O键在接收一个电子时的键离解能大于-19.9kcal/mol。本文中,线性醚可以由如下化学式1表示。[化学式1]R1-O-R2(在化学式1中,R1和R2与说明书中描述的相同。)R1和R2彼此相同或不同,并且可以各自独立地为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基、戊基或己基。具体地,线性醚可以是选自如下物质中的一种或多种:二甲醚、二乙醚、二丙醚、二异丙醚、二丁醚、二戊醚、二己醚、乙基甲基醚、甲基丙基醚、丁基甲基醚、乙基丙基醚、丁基丙基醚、苯基甲基醚、二苯基醚、二苄基醚、双(氟甲基)醚、2-氟甲基醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、双(2,2,2-三氟乙基)醚、丙基-1,1,2,2-四氟乙基醚、异丙基-1,1,2,2-四氟乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基异丁基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基乙基醚、1H,1H,2'H,3H-十氟二丙基醚和1H,1H,2'H-全氟二丙基醚。环醚可以是未被取代或被C1~C4烷基或烷氧基取代的5元~7元环醚,并且可以是未被取代或被C1~C4烷基或烷氧基取代的四氢呋喃或四氢吡喃。具体地,环醚可以是选自如下物质中的一种或多种:四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、3-甲基四氢呋喃、2,3-二甲基四氢呋喃、2,4-二甲基四氢呋喃、2,5-二甲基四氢呋喃、2-甲氧基四氢呋喃、3-甲氧基四氢呋喃、2,5-二甲氧基四氢呋喃、2-乙氧基四氢呋喃、3-乙氧基四氢呋喃、四氢吡喃、2-甲基四氢吡喃、3-甲基四氢吡喃和4-甲基四氢吡喃。环醚与线性醚的体积比可以为5:95~95:5,并且优选30:70~70:30。锂盐可以是选自如下物质中的一种:LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiC4BO8、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLi、(SO2F)2NLi、(CF3SO2)3CLi、氯硼烷锂,低级脂族羧酸锂、四苯基硼酸锂、酰亚胺锂及它们的组合,且可以以0.1M~4.0M的浓度包含所述锂盐。本专利技术的液体电解质还可以包含在分子中具有N-O键的添加剂。添加剂可以是选自如下物质中的一种或多种:硝酸锂、硝酸钾、硝酸铯、硝酸钡、硝酸铵、亚硝酸锂、亚硝酸钾、亚硝酸铯、亚硝酸铵、硝酸甲酯、硝酸二烷基咪唑鎓(dialkylimidazoliumnitrate)、硝酸胍、硝酸咪唑鎓(imidazoliumnitrate)、硝酸吡啶鎓(pyridiniumnitrate)、亚硝酸乙酯、亚硝酸丙酯、亚硝酸丁酯、亚硝酸戊酯、亚硝酸辛酯、硝基甲烷、硝基丙烷、硝基丁烷、硝基苯、二硝基苯、硝基吡啶、二硝基吡啶、硝基甲苯、二硝基甲苯、吡啶N-氧化物、烷基吡啶N-氧化物和四甲基哌啶氧化物(tetramethylpiperidinyloxyl),并且相对于100重量%的液体电解质,可以以0.01重量%~10重量%的量包含所述添加剂。根据本专利技术的另一个方面,提供一种包含所述液体电解质的锂-硫电池。有益效果根据本专利技术的锂-硫电池用液体电解质具有优异的稳定性并且在电池运行期间具有显著少量的气体产生。结果,能够改善电池的溶胀现象。附图说明图1是对实验例1的气体产生量进行比较的图。具体实施方式在下文中,将参考附图对本专利技术的实施方案进行详细描述,从而本领域技术人员可以容易地实现本专利技术。然而,本专利技术可以以各种不同的形式来实现,并且不限于本文中所描述的实例。锂-硫电池用液体电解质为了改善由于在锂-硫电池运行期间产生的诸如氢气的气体引起的溶胀现象,本专利技术提供一种锂-硫电池用液体电解质,所述液体电解质包含在环状结构中包含一个氧的环醚以及线性醚作为非水溶剂,且在所述线性醚中,当使用DFTM06-2X方法计算时,C-O键在接收一个电子时的键离解能大于-19.9kcal/mol。作为锂-硫电池的液体电解质溶剂,目前最广泛使用的溶剂是1,3-二氧戊环(DOL)和1,2-二甲氧基乙烷(DME)的混合溶剂。使用DOL和DME的混合溶剂提高了硫利用率,并且在电池容量方面获得了优异的结果。基于本专利技术的专利技术人进行的实验的结果,使用所述混合溶剂的液体电解质在用于小型电池中时在抑制电池容量降低、电池寿命和电池效率方面通常表现出优异的性能,然而当用于诸如大面积袋状电池的大型电池中时,观察到大量产生的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锂‑硫电池用液体电解质,所述液体电解质包含:锂盐;和非水溶剂,其中所述非水溶剂包含线性醚和在环状结构中包含一个氧的环醚;以及在所述线性醚中,当使用DFT M06‑2X方法计算时,C‑O键在接收一个电子时的键离解能大于‑19.9kcal/mol。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.22 KR 10-2016-0049531;2017.03.07 KR 10-2011.一种锂-硫电池用液体电解质,所述液体电解质包含:锂盐;和非水溶剂,其中所述非水溶剂包含线性醚和在环状结构中包含一个氧的环醚;以及在所述线性醚中,当使用DFTM06-2X方法计算时,C-O键在接收一个电子时的键离解能大于-19.9kcal/mol。2.根据权利要求1所述的锂-硫电池用液体电解质,其中所述线性醚由如下化学式1表示:[化学式1]R1-O-R2在化学式1中,R1和R2彼此相同或不同,并且各自独立地为未被取代或被一个或多个氟取代的C1~C6烷基、未被取代或被一个或多个氟取代的C6~C12芳基、或未被取代或被一个或多个氟取代的C7~C13芳基烷基。3.根据权利要求2所述的锂-硫电池用液体电解质,其中R1和R2彼此相同或不同,并且各自独立地为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基或己基。4.根据权利要求1所述的锂-硫电池用液体电解质,其中所述线性醚是选自如下物质中的一种或多种:二甲醚、二乙醚、二丙醚、二异丙醚、二丁醚、二异丁醚、二戊醚、二己醚、乙基甲基醚、甲基丙基醚、丁基甲基醚、乙基丙基醚、丁基丙基醚、苯基甲基醚、二苯基醚、二苄基醚、双(氟甲基)醚、2-氟甲基醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、双(2,2,2-三氟乙基)醚、丙基-1,1,2,2-四氟乙基醚、异丙基-1,1,2,2-四氟乙基醚、1,1,2,2-四氟乙基异丁基醚、1,1,2,3,3,3-六氟丙基乙基醚、1H,1H,2'H,3H-十氟二丙基醚和1H,1H,2'H-全氟二丙基醚。5.根据权利要求1所述的锂-硫电池用液体电解质,其中所述环醚是未被取代或被C1~C4烷基或烷氧基取代的5元~7元环醚。6.根据权利要求1所述的锂-硫电池用液体电解质,其中所述环醚是未被取代或被C1~C4烷基或烷氧基取代的四氢呋喃或四氢吡喃。7.根据权利要求1所述的锂-硫电池用液体电解质,其中所述环醚为选自如下物质...

【专利技术属性】
技术研发人员:朴寅台洪性源宋祈锡玉裕和梁斗景李昌勋
申请(专利权)人:株式会社LG化学
类型:发明
国别省市:韩国,KR

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