[發明專利]一種鋰硫電池電解液及其應用

在審

• 申請號: 201611191507.5
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106785049A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 鄭明森;董全峰;范鏡敏;薛飛
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M10/0569
• 分類號: H01M10/0569;H01M10/052
• 代理公司: 廈門市首創君合專利事務所有限公司35204
• 代理人: 張松亭,陳淑嫻

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，特別涉及一種含有金屬酞菁化合物液相催化劑的鋰硫電池電解液及其應用。

背景技術

鋰硫電池是指采用硫或含硫化合物作為正極，鋰或儲鋰材料為負極，以硫-硫鍵的斷裂/生成來實現電能與化學能相互轉換的一類電池體系。與其他“搖椅”反應的鋰電池一樣，在充放電過程中，鋰離子作為導流子在正負極之間“穿梭”。放電時，鋰離子從負極往正極遷移，正極活性物質的硫-硫鍵斷裂，與鋰離子生成Li₂S；充電時Li₂S電解，釋出的鋰離子重新遷回負極，沉積為金屬鋰或者嵌入負極材料。鋰硫電池的理論比容量高達1675mAh·g^-1，質量和體積理論能量密度分別高達2600Wh·kg^-1和2800Wh·L^-1，是目前已知固體正極材料中容量最高的，具有良好的應用前景。

然而鋰硫電池存在著庫倫效率低、循環壽命短、自放電率高、安全性差等一系列問題亟需解決。主要是由于硫的導電性差，放電過程體積膨脹嚴重；中間產物多硫化物的充放電不完全；多硫化物溶于電解液后與遷移鋰負極反應造成不可逆容量損失，稱為“穿梭效應”。目前對鋰硫電池的正極材料的研究工作有使用碳質材料等作為導電骨架與硫復合，幫助改善硫單質導電性差的缺陷。有些研究用氧化物材料與硫復合，為多硫化物體積變化提供的空間。一些研究在兩極之間填入碳質間隔層，對于鋰硫電池的穿梭效應具有抑制作用。因此必須開發新的方法可以有效的抑制穿梭效應，提高鋰硫電池的循環效率，進而發揮鋰硫電池超高比容量的優勢。

發明內容

為了解決鋰硫電池充放電過程中循環效率低，動力學緩慢等問題，本發明提供了一種含有金屬酞菁化合物液相催化劑的鋰硫電池電解液，在應用于鋰硫電池時，能改變電池充電電極反應步驟，改善電極過程動力學，提高反應速率。該電解液可以顯著提高鋰硫電池的循環穩定性和循環效率。

所述鋰硫電池電解液包括線形醚類溶劑、環形醚類溶劑、導電鋰鹽和金屬酞菁化合物；所述鋰硫電池電解液是通過以下步驟制得：線形醚類溶劑和環形醚類溶劑按體積比1:9～9:1混合，除去混合溶劑當中的水分至1～10ppm以下；在氦氣氣氛下，將導電鋰鹽加入上述混合溶劑中，得到基礎電解液，所述導電鋰鹽于所述基礎電解液中的濃度為0.1～5mol/L；在基礎電解液中加入液相催化劑，得到所述鋰硫電池電解液，所述液相催化劑為金屬酞菁化合物，濃度為0.01～1mol/ml。

優選的，所述金屬酞菁化合物是Fe、Co、Cu、Ni、Zn、Mn、Ru、Rh、Y、W、Re、Os、Zr、La、Ce、Eu、Gd、Ir、Pt、Mo、Nb、Pd、W中的至少一種和酞菁或酞菁衍生物組成的化合物。

優選的，所述線形醚類溶劑是乙二醇二甲醚(EGDME)及其衍生物，所述環形醚類溶劑是1,3-二氧五環(DOL)及其衍生物。

優選的，所述導電鋰鹽選自六氟磷酸鋰(LiPF₆)、四氟硼酸鋰(LiBF₄)、三氟甲基磺酸鋰(LiCF₃SO₃)、高氯酸鋰(LiClO₄)、六氟砷酸鋰(LiAsF₆)、雙三氟甲基磺酞亞胺鋰(LiN(SO₂CF₃)₂)、硝酸鋰(LiNO₃)中的至少一種。

優選的，所述的除水是使用分子篩、濃硫酸、氫氧化鉀、堿金屬、堿土金屬、五氧化二磷、氯化鈣、無水氧化鈣、氫化鋰、活性炭中的一種或幾種進行處理。

優選的，所述液相催化劑含量為0.1-10mmol/ml。

優選的，所述導電鋰鹽于所述基礎電解液中的濃度為0.3～0.7mol/L。

本發明的另一目的在于提供所述的含金屬酞菁化合物液相催化劑的鋰硫電池電解液的應用。

一種鋰硫電池，包括正極材料和負極材料，所述正極材料是硫或含硫化合物，所述負極材料是鋰或儲鋰材料，其特征在于：所述正極材料和負極材料之間具有權利要求1～5任一項所述的鋰硫電池電解液。

優選的，所述的正極材料為硫碳混合材料。

本發明相對于現有技術，具有如下的優點和效果：