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一种锂硫电池电解液及其应用制造技术

技术编号:26070648 阅读:7 留言:0更新日期:2020-10-28 16:44
本发明专利技术属于锂硫电池电解液技术领域,具体公开了一种锂硫电池电解液,其包含导电锂盐、疏水有机溶剂和添加剂,所述的添加剂为具有式1结构式化合物中的至少一种:

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池电解液及其应用
本专利技术属于锂硫电池领域,具体涉及一种用于锂硫电池的含添加剂的电解液及用这种电解液的锂硫电池。
技术介绍
近年来,锂硫电池因为其高能量密度(2500Wh/kg、2800Wh/L),活性物质硫来源广、价格低廉等优势而备受研究者的关注,被认为是最具发展潜力的下一代高能量密度储能器件之一。但由于使用锂金属作为负极,因此存在以下问题:(1)锂反应活性高,几乎能够与电解液中的所有物质发生反应,产物复杂且不稳定,存在较多的副反应,从而导致充放电效率降低。(2)界面反应不均匀,极易产生锂枝晶和死锂,使得锂循环效率降低,锂枝晶的生长容易刺破隔膜,引起电池短路,影响电池循环寿命。(3)锂沉积溶解所产生的体积膨胀收缩效应会引起表面SEI膜破损,造成电池阻抗增大及活性锂损失。因此,在锂负极表面构筑稳定保护层,将锂和电解液有效隔离,是锂硫电池成功应用的关键技术。目前,很多学者在保护锂负极方面做了大量的研究,主要集中在锂金属表面固态电解质层(SEI膜)的构筑和调控上。一种方法是预先成膜,通过在负极表面形成一层相对稳定的人造SEI膜,减少多硫化物与锂金属的反应,抑制锂枝晶的生长,减少锂金属与电解液的接触,减少副反应。但存在同锂表面接触不紧密,均匀性差,界面阻抗持续增大等问题,尚没有实现商业化。另一种方法是通过电解液添加剂在锂金属表面原位成膜,形成一层均匀致密的固态电解质保护层,从而起到保护锂负极的目的,这种方式所形成的保护层结构往往比较均匀致密,并且厚度较薄,相应的阻抗较小并且稳定,如ZhanLin提出在电解液中添加五硫化磷,不仅可以在锂负极表面形成一层保护膜,还可以溶解不可逆沉积的多硫化锂,使得锂硫电池的稳定性有所提高,但是五硫化磷对多硫化物的溶解可能会加速多硫化物的穿梭。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足,提供一种含添加剂的锂硫电池电解液,旨在较小添加剂量下显著提升电解液的性能。不同种类电池,对与之匹配的部件以及材料的要求不同。例如,对于锂硫电池而言,要求其电解液对电极具有良好的润湿性、且能够解决锂枝晶问题,提高比容量和库伦效率等循环性能。然而,现有锂硫电池电解液在该方面还存在较多欠缺,为此,本专利技术提供了一种锂硫电池用电解液,包括导电锂盐、疏水有机溶剂和添加剂:所述的添加剂为具有式1结构式化合物中的至少一种:R1、R2、R3、R4独自为烷烃基。其中,至少一个取代基为长碳链烷烃基,且至少一个取代基为短碳链烷烃基;所述的长碳链烷烃基的主链碳数不低于12;所述的短碳链烷烃基的碳数不大于6;所述的X为卤素;所述的添加剂的含量为0.1wt%~10wt%。本专利技术发现,添加式1结构的化合物的电解液可有效提升锂硫电池的电极的润湿性,可以在锂金属表面原位生成均匀致密的保护膜,抑制锂枝晶的生长和死锂的产生,提升锂硫电池的充放电效率和循环稳定性。本专利技术所述的式1添加剂在小剂量添加下即可获得良好的技术效果,这主要得益于结构中的长碳链和短碳链以及无机负离子的协同配合,在该基础上,进一步配合对长碳链和短碳链碳数的精准控制以及添加含量的控制,可以有效提升锂硫电池中的电学性能。研究发现,不具备所述碳数的长碳链和短碳链碳数的添加剂对电解液的性能提升不明显,甚至有可能降低电解液的性能。研究还发现,在所述的式1结构化合物的基团控制的基础上,还需要将添加剂控制在所要求的范围下,添加量大于所述的上限或者低于所述的下限,均不利于电解液性能的提升。研究发现,长碳链和短碳链的协同配合是提升所述的添加剂在锂硫电池中电学性能的关键,然而,本专利技术人研究发现,并不是长碳链越多或者总碳数越多,其在锂硫电池方面的性能就越好。本专利技术研究发现,R1、R2、R3、R4中,一个取代基为所述的长碳链烷烃基,其余取代基为所述的短碳链烷烃基。在该优选的一长碳链和三短碳链的协同下,所述的添加剂的效果更优。本专利技术研究发现,在所述的长碳链和短碳链的链段数的控制下,进一步配合对长碳链和短碳链的链段数所述的长碳链烷烃基优选为所述碳数的直链烷烃基,进一步优选为C12~C18的直链烷烃基。本专利技术研究意外发现,所述的式1中,所述的单长链段基团的为C12~C18的直链烷烃基的电学性能更优。长碳链烷烃基的碳数的进一步提升,会一定程度降低长碳链和短碳链之间的协同性,一定程度影响电解液的性能。进一步优选,所述的长碳链烷烃为C16~C18的直链烷烃。研究发现,在该优选的长链基团下,电解液的性能更优。作为优选:所述的短碳链烷烃基为C1~C4的直链烷烃基。本专利技术研究还意外发现,将短碳链控制在C1~C4的直链烷烃基时,可以意外地提升其和长碳链的协同性,可以进一步提升所述的添加剂在电解液中的电学性能。进一步优选,所述的短碳链烷烃基为C2~C4的直链烷烃基。研究发现,优选的短链烷烃基和所述的优选的长链烷烃基的协同效果更优,更利于提升电解液的电学性能。本专利技术的X为卤素,研究发现,其可以进一步协同于所述的长链烷烃基以及短链烷烃基,可以进一步提升电解液的性能。作为优选,所述的X-为Cl-或Br-。在所述的创新地添加式1化合物的基础上,进一步将其添加量控制在所要求的范围内,可以提升添加效果。作为优选,所述添加剂在电解液中的质量百分含量为1wt%~5wt%。在该优选的添加量下,可以进一步提升锂硫电池的电学性能。进一步优选,所述添加剂在电解液中的质量百分含量为1.5wt%~2.5wt%。作为优选,所述的锂硫电池电解液中,还包含辅助添加剂,所述的辅助添加剂包含硝酸锂、硝酸钾,硝酸铯,硝酸镧中的至少一种。优选地,辅助添加剂的含量为1~3wt.%。所述的辅助添加剂可以和所述的添加剂协同,出人意料地改善电解液的循环库伦效率。本专利技术所述的有机溶剂为适用于锂硫电池的疏水性有机溶剂。作为优选,所述的疏水有机溶剂为聚醚类化合物、碳酸酯类化合物、烷基酯类化合物、砜、亚砜类化合物中的至少一种。优选地,所述疏水有机溶剂为1,3-二氧五环(DOL)、1,4-二氧六环(DX)、乙二醇二甲醚(DME)、甘二醇二甲醚(G2)、三聚乙二醇二甲醚(G3)、四聚乙二醇二甲醚(G4)、四氢呋喃(THF)、乙基甲基砜(EMS)、环丁砜(TMS)、甲基异丙基砜(MiPS)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)中的一种或多种的混合物。本专利技术所述的导电锂盐可以是行业内技术人员所熟知的锂盐。作为优选,所述导电锂盐为双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)、三氟甲磺酸锂(LiTf)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二氟双(草酸根)合磷酸锂(LiDFBOP)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、硝酸锂(LiNO3)、高氯酸锂(LiClO4)中的一种或几种。作为优选,所述导电锂盐在电解液中的浓度优选为0.5~4mol/L。本专利技术还提供了一种锂硫电池电解液的应用,本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种锂硫电池电解液,包括导电锂盐、疏水有机溶剂和添加剂:其特征在于,所述的添加剂为具有式1结构式化合物中的至少一种/n

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池电解液,包括导电锂盐、疏水有机溶剂和添加剂:其特征在于,所述的添加剂为具有式1结构式化合物中的至少一种



R1、R2、R3、R4独自为烷烃基;其中,至少一个取代基为长碳链烷烃基,且至少一个取代基为短碳链烷烃基
所述的长碳链烷烃基的主链碳数不低于12;所述的短碳链烷烃基的碳数不大于6;
所述的X-为卤素阴离子;
所述的添加剂的含量为0.1wt%~10wt%。


2.如权利要求1所述的锂硫电池电解液,其特征在于:R1、R2、R3、R4中,一个取代基为所述的长碳链烷烃基,其余取代基为所述的短碳链烷烃基。


3.如权利要求1或2所述的锂硫电池电解液,其特征在于:所述的长碳链烷烃基为C12~C18的直链烷烃基。


4.如权利要求1~3任一项所述的锂硫电池电解液,其特征在于:所述的短碳链烷烃基为C1~C4的直链烷烃基。


5.如权利要求1~4任一项所述的锂硫电池电解液,其特征在于:所述添加剂在电解液中的质量百分含量为1wt%~5wt%。


6.如权利要求1~5任一项所述的锂硫电池电解液,其特征在于:还包含辅助添加剂,所述的辅助添加剂包含硝酸锂、...

【专利技术属性】
技术研发人员:洪波赖延清张雪亚向前史晨阳张治安
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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