一种无负极锂硫电池的电解液及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种无负极锂硫电池的电解液及其应用，其目的在于解决无负极锂硫电池充放电时反应形成的多硫化物溶解在电解液中引起的“穿梭效应”和锂负极的枝晶生长问题。本发明专利技术设计的电解液通过合理引入具有空间位阻的醚类溶剂，既可以降低对多硫化物的溶解度，消除穿梭效应；又能促进阴离子的分解，生成富含LiF的保护层，从而抑制锂负极枝晶的生长，最终使无负极锂硫电池在充放电过程中保持良好的容量发挥。因此，本发明专利技术一种可用于无负极锂硫电池的电解液及其应用，对高能量密度二次电池的设计及大规模应用具有十分重大的意义。的设计及大规模应用具有十分重大的意义。的设计及大规模应用具有十分重大的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种无负极锂硫电池的电解液及其应用


[0001]本专利技术属于二次电池
，具体地，涉及一种无负极锂硫电池的电解液及其应用。

技术介绍

[0002]能源危机和环境污染使人们重视清洁能源的发展，新型电池成为了人们发展的目标。其中，锂电池凭借其能量密度大、工作电压高、循环寿命长、自放热率低、输出功率大、可承受较宽充放电倍率、绿色安全环保等优异性能，在建立安全、稳定的新能源电力系统和储能系统方面发挥着巨大作用的优点，进入了大众的视野。但现今主流的正极材料，如磷酸铁锂、钴酸锂和高镍三元正极材料，有着较为有限的比容量，而锂硫电池由于含有活性物质硫而有着较高的比容量。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好，价格低廉等特点，可以制成一种轻质、多电子反应的正极材料。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(150mAh/g)。且其活性物质硫对环境友好，自然储备丰富，可作为下一代新型锂二次电池进行开发与使用，因此受到了广泛的关注，还被认为是极具潜力的下一代二次锂离子电池。但仍存在一些问题极大地阻碍了其商业化进程，如硫及其放电产物的导电性差；硫反应引起的体积变化导致电极“粉化”；反应形成的多硫化物溶解在电解液中穿过隔膜腐蚀锂负极引起的“穿梭效应”，影响循环稳定性；多硫化物转化的动力学缓慢，锂负极的枝晶生长也严重降低了整体系统的安全性等问题，导致锂硫电池在充放电过程中容量不断衰减。
[0003]无负极锂硫电池正极是Li2S或锂化后的有机硫化物，负极为铜箔或其他集流体，锂是由正极沉积到负极那一侧提供的，不需要直接使用金属锂，对电池的可加工性更好，可以进行大规模的应用。且Li2S的导电性相对于S要好，同时无负极锂硫电池在一定程度上也可以解决体积变化导致电极“粉化”。但对于无负极锂硫电池，其面临的多硫化物溶解和锂负极枝晶问题却更难解决。在充放电的过程中，正极产生的多硫化物中间体溶解到电解液中，并穿过隔膜，向负极扩散，与负极的金属锂直接发生反应引起的“穿梭效应”造成了电池中有效物质的不可逆损失、电池寿命的衰减、低的库伦效率；在充放电过程中，锂金属溶解之后并不能够平整的沉积在负极集流体上，而是由于不均匀沉积或者尖端效应导致锂金属层凹凸不平，不仅会导致锂金属负极表面的固态电解质层不断开裂，使得内部新鲜的锂与电解液接触，加速消耗电解液，降低了电池的库伦效率和循环稳定性。甚至还会产生类似树枝状的枝晶，多次沉积以后产生的枝晶很容易刺穿隔膜导致正负极短路，引发高温甚至导致电池起火燃烧。因此本专利技术提出了一种电解液，能够很好的阻止多硫化锂的穿梭效应和锂金属负极的枝晶生长，使无负极锂硫电池具有稳定的电化学性能。
[0004]电解液作为电池的重要组成部分，同时与正负极想接触，直接影响电池的整体性能。例如：长循环寿命、倍率、电池内部的阻抗、容量以及安全性等，液态电解液一般由锂盐(LiTFSI、LiPF6、LiC1O4等)、有机溶剂(DOL和DME等)以及添加剂等成分组成。理想态的电解
液还应具备一些基本性质，如稳定的电化学性能、较宽的电化学窗口、较好的电子绝缘性、较高的离子传导能力以及正负极稳定的电化学活性等。通过优化电解液成分能够很好的阻止多硫化锂的穿梭效应和锂金属负极的枝晶生长，使无负极锂硫电池具有稳定的电化学性能，所以优化无负极锂硫电池电解液具有极大的研究价值。
[0005]因此，本专利技术提出的一种用于无负极锂硫电池的电解液及其应用，同时阻止了多硫化物的穿梭效应，又保护了负极的稳定性，有着十分重大的意义，同时对于无负极锂硫电池的大规模应用具有十分广阔的前景。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术中无负极锂硫电池充放电时反应形成的多硫化物溶解在电解液中引起的“穿梭效应”和锂负极的枝晶生长，从而导致无负极锂硫电池在充放电时容量不断衰减。本专利技术的电解液，通过合理调控溶剂的分子结构，设计锂盐成分、溶液的组成，从而降低对多硫化物的溶解度，抑制穿梭效应，抑制锂负极枝晶的生长，实现了可使无负极锂硫电池在充放电过程中保持良好的化学性能。
[0007]相比于传统的电解液，一方面，本电解液使用的单一锂盐优选为富氟锂盐，富氟锂盐在锂负极更容易生成富含氟化锂的SEI，使其更易形成Li+
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阴离子对，在还原时会有更多的阴离子分解。另一方面，本电解液所选的溶剂在分子结构上相较于传统电解液中少了一个氧，减少了溶剂的配位能力，又因为所选溶剂的分子结构上仅含有单一的氧，使其具有空间位阻，使溶剂具有了较弱的溶剂化能力。从而使无负极锂硫电池中的阴离子生成SEI，同时让多硫化物的溶解度显著降低。上述设计可以有效抑制多硫化物的“穿梭效应”，使锂负极具有优良的稳定性。因此，本专利技术一种可用于无负极锂硫电池的电解液及其应用，在未来无负极锂硫电池的大规模商业应用具有十分重大的意义。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0009]一种用于无负极锂硫电池的电解液，所述电解液含有单一锂盐和含两种或以上具有空间位阻的醚类混合物。
[0010]按上述方案，单一锂盐为双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、六氟磷酸锂(LiPF6)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、二草酸硼酸锂(LiBOB)中的一种，优选为双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)，其中单一锂盐在电解液中的浓度为0.5mol/L～3mol/L。
[0011]按上述方案，醚类混合物为甲基叔丁基醚(MTBE)、二氧戊环(DOL)、2
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甲基四氢呋喃(Me
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THF)、乙二醇二甲醚(DME)、二乙二醇二甲醚(G2)、四乙二醇二甲醚(G4)溶剂中的至少两种，优选为甲基叔丁基醚(MTBE)和2
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甲基四氢呋喃(Me
‑
THF)，其中两种醚的体积比为(0.1～2):1，体积比优选为1：1。
[0012]本专利技术的另一方面提供了所述电解液在无负极锂硫电池中的应用。
[0013]按上述方案，所应用的无负极锂硫电池的隔膜为陶瓷隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯和聚乙烯的复合隔膜、Al2O3涂层隔膜、玻璃纤维隔膜、聚四氟乙烯隔膜、纤维素隔膜或芳纶隔膜。优选为陶瓷隔膜，所述陶瓷隔膜的直径为18～20mm。
[0014]按上述方案，所应用的无负极锂硫电池的负极材料为铜箔、钛箔、石墨、硅、镍网,正极材料为硫化锂、锂化的硫化聚丙烯腈、硫化锂和硫/碳的复合物、锂化的有机硫化物中
的一种。优选为硫化锂。
[0015]更进一步地，醚类混合物与单一锂盐的物质的量之比为(1～10)∶1。
[0016]本电解液使用的单一锂盐优选为富氟锂盐，富氟锂盐在锂负极更容易生成富含氟化锂的SEI，使其更易形成Li
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于无负极锂硫电池的电解液，其特征在于，所述电解液含有单一锂盐和含两种或以上具有空间位阻的醚类混合物。2.根据权利要求1所述的一种用于无负极锂硫电池的电解液，其特征在于，所述单一锂盐为双氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟磷酸锂、二草酸硼酸锂中的一种。3.根据权利要求2所述的一种用于无负极锂硫电池的电解液，其特征在于，所述单一锂盐为双氟磺酰亚胺锂，其中单一锂盐在电解液中的浓度为0.5mol/L～3mol/L。4.根据权利要求1所述的一种用于无负极锂硫电池的电解液，其特征在于，所述醚类混合物为甲基叔丁基醚、二氧戊环、2
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甲基四氢呋喃、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚溶剂中的至少两种。5.根据权利要求4所述的一种用于无负极锂硫电池的电解液，其特征在于，所述醚类混合物为甲基叔丁基醚和2
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨涵旭，杨锦祥，李健辉，薛瀚元，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：