具有改善的寿命性能的锂硫电池制造技术

本发明专利技术公开了一种具有改善的寿命性能的锂硫电池，所述锂硫电池通过使用不含腈溶剂的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系(放电容量～1,600mAh/gs)，同时将具有高比表面积的碳材料应用于正极而能够利用硫的理论放电容量(1,675mAh/g)的80％以上并且能够长寿命地运行。锂硫电池包含：电解质，所述电解质包含含有含氟醚化合物的第一溶剂、含有二醇二醚类化合物的第二溶剂和含有双(五氟乙磺酰)亚胺锂的锂盐；以及正极，所述正极含有硫和碳材料作为活性材料。性材料。性材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改善的寿命性能的锂硫电池


[0001]本申请要求基于2022年1月18日提交的韩国专利申请第10
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2022
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0007015号的优先权权益，所述专利申请的全部内容通过引用并入为本说明书的一部分。
[0002]本专利技术涉及一种具有优异寿命性能的锂硫电池，更具体地，涉及一种具有改善的寿命性能的锂硫电池，所述锂硫电池通过使用不含腈溶剂的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系(放电容量～1,600mAh/gs)，同时将具有高比表面积的碳材料应用于正极而能够利用硫的理论放电容量(1,675mAh/g)的80％以上并且能够长寿命地运行。

技术介绍

[0003]随着人们对能量储存技术的兴趣日益增加，因为所述技术的应用从移动电话、平板电脑、笔记本电脑和摄像机的能源甚至扩展到电动车辆(EV)和混合动力电动车辆(HEV)的能源，所以对电化学装置的研究和开发正在逐渐增加。电化学装置领域是这方面最受关注的领域。其中，能够充电/放电的二次电池诸如锂硫电池的开发成为了关注的焦点。近年来，在开发这些电池时，为了改善容量密度和比能量，已经对新型电极和电池的设计进行了研究和开发。
[0004]在这些电化学装置中，锂硫电池(Li
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S电池)具有高能量密度(理论容量)，由此作为能够代替锂离子电池的下一代二次电池而备受关注。在这种锂硫电池中，在放电期间发生硫的还原反应和锂金属的氧化反应。此时，硫从具有环状结构的S8形成具有线形结构的多硫化锂(LiPS)。这种锂硫电池的特征在于，显示出阶跃的放电电压，直到多硫化物完全还原为Li2S为止。
[0005]然而，锂硫电池商业化的最大障碍是它的寿命。在充电/放电过程期间，充电/放电效率降低，并且电池的寿命劣化。锂硫电池的寿命劣化存在各种原因，例如电解质的副反应(由于电解质分解引起的副产物的沉积)、锂金属的不稳定性(由于枝晶在锂负极上生长而发生短路)、正极副产物的沉积(多硫化锂从正极溶出)等。
[0006]即，在使用硫类化合物作为正极活性材料并使用诸如锂的碱金属作为负极活性材料的电池中，在充电/放电期间发生多硫化锂的溶出和穿梭现象，并且多硫化锂转移到负极，从而降低锂硫电池的容量，由此锂硫电池存在的主要问题在于，它的寿命缩短并且它的反应性降低。即，因为从正极溶出的多硫化锂在有机电解液中的溶解度高，所以所述多硫化锂会不期望地通过电解质朝向负极移动(PS穿梭)。结果，由于正极活性材料的不可逆损失而发生容量的下降，并且由于因副反应而使硫粒子沉积在锂金属的表面上，所以发生电池的寿命缩短。
[0007]另一方面，这种锂硫电池的行为能够根据电解质的不同而变化很大。将当正极中的硫以多硫化锂(LiPS)的形式溶出到电解质中时的电解质称为正极电解质，并且将当硫几乎不会以多硫化锂的形式溶出时的电解质称为微溶剂化电解质(SSE)。因为使用现有正极电解质体系的锂硫电池通过生成Li2S
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形式的中间产物(中间多硫化物)而依赖于液相反应(正极电解质型)，所以存在的问题在于，电池没有充分利用硫的高理论放电容量(1,
675mAh/g)，相反地，由于多硫化物的溶出而引起电池劣化，由此电池寿命急剧缩短。
[0008]另一方面，最近开发了一种能够抑制多硫化物溶出的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系，由此能够利用硫的理论放电容量的80％以上，但大部分SSE电解质体系依赖于腈类溶剂。在这种情况下，锂负极通过与锂负极的反应而退化，并且在电池的寿命方面也存在致命缺点，例如锂硫电池内部产生气体。
[0009]因此，本领域正在对如下锂硫电池进行各种研究，所述锂硫电池中，作为正极活性材料的硫没有溶出到电解质中(例如将LiPS吸附材料添加到正极复合材料中，或者将由现有PE制成的隔膜改性的研究等)，特别地，还正在对如下电解液进行研究，所述电解液中能够进行将硫转化为作为最终放电产物的Li2S的固
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固反应，但尚未取得任何显著成果。因此，需要开发一种创新性的电池，所述电池在使用能够利用硫的理论放电容量的80％以上的SSE电解质体系的同时，不会使锂负极劣化或使电池内部产生气体(即，寿命的改善)并且具有高能量密度(
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高能量密度是指约400Wh/kg以上或600Wh/L以上，为了实现所述高能量密度，需要能够在4.0mAh/cm2以上和60％以下的孔隙率下运行的电解质和正极活性材料体系)。

技术实现思路

[0010]技术问题
[0011]因此，本专利技术的一个目的是提供一种具有改善的寿命性能的锂硫电池，所述锂硫电池通过使用不含腈溶剂的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系(放电容量～1,600mAh/gs)，同时将具有高比表面积的碳材料应用于正极而能够利用硫的理论放电容量(1,675mAh/g)的80％以上并且能够长寿命地运行。
[0012]技术方案
[0013]为实现上述目的，本专利技术提供一种锂硫电池，所述锂硫电池包含：电解质，所述电解质包含含有含氟醚化合物的第一溶剂、含有二醇二醚类化合物的第二溶剂和含有双(五氟乙磺酰)亚胺锂的锂盐；以及正极，所述正极含有硫和碳材料作为活性材料。
[0014]有益效果
[0015]根据本专利技术的具有改善的寿命性能的锂硫电池，存在的优点在于，该锂硫电池通过使用不含腈溶剂的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系(放电容量～1,600mAh/gs)，同时将具有高比表面积的碳材料应用于正极而能够利用硫的理论放电容量(1,675mAh/g)的80％以上并且能够长寿命地运行。此外，根据本专利技术的具有改善的寿命性能的锂硫电池具有即使在4.0mAh/cm2以上和60％以下的孔隙率下也能够运行的电解质和正极活性材料体系，由此还具有保持约400Wh/kg以上或600Wh/L以上的高能量密度的优点。
附图说明
[0016]图1是显示根据本专利技术实施例和比较例制造的锂硫电池的放电容量和寿命特性的图。
具体实施方式
[0017]在下文中，将对本专利技术进行详细说明。
[0018]根据本专利技术的锂硫电池包含：电解质，所述电解质包含含有含氟醚化合物的第一溶剂、含有二醇二醚类化合物的第二溶剂和含有双(五氟乙磺酰)亚胺锂的锂盐；以及正极，所述正极含有硫和碳材料作为活性材料。
[0019]最近，尽管已经开发了一种能够抑制多硫化物溶出的SSE(微溶剂化电解质)的电解质体系，使得可以利用硫的理论放电容量的80％以上，因为由于SSE电解质体系的本质依赖于腈类溶剂，导致锂负极因与锂负极的反应而退化并且锂硫电池内部产生气体，所以仍存在尚未解决的电池寿命缩短的问题。
[0020]因此，本专利技术的申请人开发了一种锂硫电池，所述锂硫电池通过在使用硫的利用率为理论放电容量的80％以上、优选90％至100％、更优选94％至100％的SSE电解质体系的同时，通过不含对锂硫电池的寿命至关重要的腈类电解质溶剂并使用稳定的醚类电解质溶剂，并且还通过提供不会使锂负极劣化或在电池内部产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种锂硫电池，所述锂硫电池包含：电解质，所述电解质包含含有含氟醚化合物的第一溶剂、含有二醇二醚类化合物的第二溶剂和含有双(五氟乙磺酰)亚胺锂的锂盐；和正极，所述正极含有硫和碳材料作为活性材料。2.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述电解质中所含的所述锂盐、所述第二溶剂和所述第一溶剂的摩尔比为1：1.5至2.7：2.8至5。3.根据权利要求2所述的锂硫电池，其中，所述锂盐的浓度为1M至1.8M。4.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述含氟醚化合物为选自如下中的至少一种：1,1,2,2
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四氟乙基2,2,3,3
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四氟丙基醚(TTE)、双(氟甲基)醚、2
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氟乙基甲基醚、双(2,2,2
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三氟乙基)醚、1,1,2,2
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四氟乙基丙基醚、1,1,2,2
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四氟乙基异丙基醚、1,1,2,2
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四氟乙基异丁基醚、1,1,2,3,3,3
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六氟丙基乙基醚、1H,1H,2'H,3H
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十氟二丙基醚和1H,1H,2'H
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全氟二丙基醚。5.根据权利要求1所述的锂硫电池，其中，所述二醇二醚类化合物包括选自如下中的至少一种：二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、甲氧基乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴晟孝，李昌勋，朴寅台，崔兰，李炫受，金容辉，宋明俊，
申请(专利权)人：株式会社LG新能源，
类型：发明
国别省市：