[實用新型]一種鋰硫電池

有效

• 申請號: 201921140366.3
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN210668539U
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 杜付明;吳遠志;葉拓;謝忠祥
• 申請（專利權）人: 湖南工學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/62;H01M4/58;H01M2/16;H01M10/0567;H01M10/42;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市興科達知識產權代理有限公司 44260
• 代理人: 陽江軍

本實用新型公開了一種鋰硫電池，包括Li₂S正極、改性隔膜、鋰金屬負極以及電解液，所述Li₂S正極、所述改性隔膜以及所述鋰金屬負極依次平行間隔設置，所述電解液含有負極成膜添加劑并容置于所述改性隔膜與所述鋰金屬負極之間，所述改性隔膜包括聚烯烴隔膜和涂覆在所述聚烯烴隔膜正對所述Li₂S正極的表面上的鋰離子?電子混合導電膜。與相關技術相比，本實用新型提供的一種鋰硫電池具有如下優點：可以激活Li₂S,有助于降低Li₂S首次充電的過電位；有助于多硫化鋰在正極側轉化為活性Li₂S；可以在金屬鋰表面原位形成SEI膜，抑制負極側鋰枝晶的形成；提高了鋰硫電池的容量、循環性能和安全性能。

【技術領域】

本實用新型涉及鋰電池技術領域，尤其涉及一種鋰硫電池。

【背景技術】

隨著電動汽車的大規模儲能的需求，人們對電池的能量密度要求越來越高。現有的鋰離子電池正極和負極分別主要采用無機金屬氧化物和石墨，理論比能量不超過350Wh/kg，無法滿足人們的對電動汽車里程的需求。此外，無機金屬資源缺乏，對環境污染嚴重，不利于長期發展。鋰硫電池的理論比能量高達2600Wh/kg，而且硫正極環境友好，價格低廉，資源豐富，被認為是很有發展前景的二次鋰離子電池。

然而，鋰硫電池的實際應用還受到諸多限制。首先，S單質作為正極時(比容量1675mAh/g)，充放電過程形成Li₂S，體積膨脹高達80％；其次，硫單質和硫的鋰化物離子和電子電導率低，內阻大引起極化；此外，由于中間產物多硫化鋰(Li₂Sx，x＝4-8)溶解于電解液，產生嚴重的穿梭效應，使得庫倫效率和活性鋰下降，容量衰減極快。最后，鋰金屬作為負極，容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜。

文獻(Adv.Mater.30,e1801190,2018)報道采用硫的完全嵌鋰態Li₂S作為正極，比容量仍有1166mAh/g，由于本身就具有最大體積，穩定性增強，而且，Li₂S的分解溫度達到900℃，遠高于S單質，可以進行高溫改性。但是，Li₂S/C的電導率低，首次充電形成新的多硫化物反應能壘高達1eV，需要充電到4V(vs Li⁺/Li)以上,會導致醚基電解液的分解和電化學性能惡化(J.Am.Chem.Soc.134,15387-15394,2012)。專利文獻CN108987714A 公開了一種含有Li₂S的正極材料，包含燒結連接的Li₂S和S摻雜的導電碳，提高正極的導電性和比容量，減弱穿梭效應，但是效果不明顯。專利文獻CN106129455A公開了一種三維多孔石墨烯共價固定納米Li₂S的復合正極，降低了首次充電過電位，并采用氧化石墨烯包覆改性的聚烯烴隔膜抑制多硫化鋰的穿梭效應，但是沒有解決鋰金屬負極容易形成鋰枝晶的問題。專利文獻CN107078343A公開了一種鋰硫電池隔膜改性方法，在正極/ 隔膜之間增加鋰離子傳導性聚合物膜，同時在負極/隔膜之間增加金屬氧化物膜，能夠阻擋多硫化鋰穿梭同時抑制鋰枝晶生長，但是兩層膜增加了隔膜的厚度，倍率性能受到影響。

可見，上述鋰硫電池具有如下主要技術問題：

①Li₂S/C的電導率低，首次充電形成新的多硫化物反應能壘高達1eV，需要充電到4V(vs Li⁺/Li)以上，會導致醚基電解液的分解和電化學性能惡化；

②充放電過程中，多硫化鋰的穿梭效應會導致正極的容量迅速下降，同時，多硫化鋰在鋰金屬負極附近被還原為固態Li₂S，會覆蓋鋰金屬，降低負極容量，導致鋰硫電池循環壽命嚴重降低；

③鋰金屬負極由于巨大的體積變化容易形成鋰枝晶，刺穿隔膜，引起危險。

【實用新型內容】