[發明專利]鋰硫電池用電解液和包含所述電解液的鋰硫電池

有效

• 申請號: 201780083784.0
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN110199426B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 楊承潤;梁斗景
• 申請（專利權）人: 株式會社LG新能源
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/0568;H01M10/052;H01M4/38
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 王海川;陳海濤

本發明涉及一種鋰硫電池用電解液和包含所述電解液的鋰硫電池，并且更具體地，涉及包含鋰鹽、有機溶劑以及添加劑的鋰硫電池用電解液，其中所述添加劑包含堿金屬鹽型離聚物。所述鋰硫電池用電解液通過包含含有堿金屬離子的聚合物作為添加劑而改善鋰離子的遷移特性并且由此改善所述鋰硫電池的容量和壽命特性。

技術領域

本申請要求在韓國知識產權局于2017年5月26日提交的韓國專利申請號10-2017-0065508和于2017年12月6日提交的韓國專利申請號10-2017-0166320的權益，并將其公開內容以引用的方式整體并入本文中。

本發明涉及一種鋰硫電池用電解液和包含所述電解液的鋰硫電池。

背景技術

近來，電子裝置和通信裝置正在迅速變得更小、更輕、性能更高并且牽涉到環境問題而對電動車輛的需求已經大大增加。據此，對用作這些產品的能源的二次電池的性能改善的需求正在不斷增長。為了實現滿足該需求的二次電池，已經對使用硫類材料作為正極活性材料的鋰硫電池進行了許多研究。

鋰硫電池是一種二次電池，其使用包含硫-硫鍵的硫類化合物作為正極活性材料并且使用能夠嵌入或脫嵌堿金屬如鋰或金屬離子如鋰離子的碳類材料作為負極活性材料。

具體來說，鋰硫電池的理論放電容量為1675mAh/g并且它的理論能量密度為2600Wh/kg。由于鋰硫電池的理論能量密度是目前所研究的鋰離子電池(約570Wh/kg)的理論能量密度的約5倍，因此鋰硫電池是能夠具有高容量、高能量密度和長壽命的電池。此外，由于作為正極活性材料的主要材料的硫具有低原子量、資源豐富、易于供應、廉價、無毒并且是環境友好物質，因此鋰硫電池已經作為中型到大型裝置(如電動車輛)以及便攜式電子裝置的能源而受到關注。

具體地，在鋰硫電池的負極處發生鋰的氧化反應并且在正極處發生硫的還原反應。在放電之前硫具有環狀S₈結構。在還原反應(放電)期間，隨著硫-硫鍵斷裂，硫的氧化數減少，并且在氧化反應(充電)期間，隨著硫-硫鍵再次形成，S的氧化數增加。使用該氧化還原反應來儲存和產生電能。在該電化學反應期間，硫通過還原反應從環狀結構的S₈轉化成線性結構的多硫化鋰(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)。當多硫化鋰被完全還原時，最終產生硫化鋰(Li₂S)。通過還原成各多硫化鋰的過程，鋰硫電池的放電行為不同于鋰離子電池，顯示逐步放電電壓。

在作為鋰硫電池中電化學反應的中間產物的多硫化鋰如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄以及Li₂S₂中，硫氧化數高的多硫化鋰(Li₂S_x，通常x4)是具有強極性并且容易溶解在含有親水性有機溶劑的電解液中的物質。溶解在電解液中的多硫化物通過濃度差而進行遠離正極的擴散。由此從正極溶出的多硫化鋰離開正極的電化學反應區域，并且因此不可能逐步還原成硫化鋰(Li₂S)。也就是說，由于遠離正極并且以溶解狀態存在于電解液中的多硫化鋰不能參與電池的充電反應和放電反應，因此用作正極活性材料的硫損失，并且硫的損失是鋰硫電池的容量降低和壽命縮短的主要因素。

此外，由于溶出的多硫化鋰除了漂浮在電解液上或沉淀在電解液中之外還與作為負極的鋰金屬直接反應并且硫化鋰粘附在鋰金屬的表面上，因此反應活性降低并且電位特性劣化，從而導致負極腐蝕的問題。

為了使多硫化鋰的溶出降到最低限度，正在研究各種方法，所述方法包含將具有吸附硫的特性的添加劑添加到正極混合物或電解質中的方法；用含有特定官能團的物質對正極活性材料的表面進行表面處理的方法；使用在碳材料或金屬氧化物中含有硫的復合物作為正極活性材料的方法等。