[發明專利]一種鋰硫電池電解液及其應用、鋰硫電池

在審

• 申請號: 202010103131.8
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111276745A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 賴延清;洪波;史晨陽;王麒羽;張雪亞;張治安;張凱
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 李瓊芳;肖小龍

本發明提出了一種鋰硫電池電解液及其應用以及一種鋰硫電池，屬于鋰硫電池技術領域。具體來說，所述的鋰硫電池電解液，包含咪唑啉酮環結構的添加劑。本發明通過在電解液中加入所述結構的添加劑，降低鋰硫電池充放電過程中極化效應，提高多硫化物的轉換效率，促進短鏈多硫化物的溶解，最終明顯提高鋰硫電池的容量及循環穩定性。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池技術領域，特別涉及一種鋰硫電池電解液及其應用以及包含所述電解液的鋰硫電池。

背景技術

鋰硫電池是以硫元素作為電池正極,金屬鋰作為負極的一種鋰電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰電池的容量(150mAh/g)。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰電池材料。但由于復雜的電化學反應機理，一些問題嚴重制約了鋰硫電池的實際應用。在醚類電解液中，通常會有兩個放電平臺，首先硫單質鋰化形成長鏈的多硫化物Li₂S₈，然后在電極表面進一步被還原成Li₂S₆和Li₂S₄，產生一個在2.3V左右的放電平臺，這個放電平臺大概貢獻了25％的理論容量。緊接著中長鏈的多硫化物會再進一步轉化為固體Li₂S₂和Li₂S，沉積在電極表面，放電平臺在2.1V左右。由于中間產物長鏈多硫化物Li₂S_X(X＝4～8)極易溶于醚類電解液中，導致了正極活性物質的實際利用率不高，造成首圈實際比容量遠低于單質硫的理論容量(1675mAh/g)；在電場力和濃度梯度的作用下，長鏈多硫化鋰會向鋰金屬負極擴散，一方面腐蝕金屬鋰負極反應生成短鏈多硫化鋰與絕緣的Li₂S，前者又會擴散到正極區域，被氧化成為長鏈多硫化鋰，如此循環往復，導致庫侖效率嚴重降低和活性物質不可逆的損失，電池容量因此不斷衰減。

針對鋰硫電池的容量衰減問題，近年來研究者們采取了許多策略，其中，對電解液進行添加劑改性是主要的策略之一。現有報道的電解液添加劑種類繁多，主要可分為有機添加劑和無機添加劑；其中，有機添加劑主要有3-甲基-1,4,2-二惡唑-5-酮(CN108336405A)、硒醚(CN107785603A)、亞硫酰氯(CN109301325A)、磷酸化殼聚糖(CN103515613A)；無機添加劑主要有硅鋁酸鹽(CN109167095A)、多硫化鋰(CN102983361A)、硝酸氧鋯(CN109088101A)、五硫化磷(CN109148956A)等。

但上述已報道的添加劑在提高鋰硫電池的性能方面的效果仍不理想。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明要解決的技術問題之一在于提供一種鋰硫電池電解液，旨在提升鋰硫電池性能。本發明要解決的技術問題之二是提供包含所述電解液的鋰硫電池。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

一種鋰硫電池電解液，包括有機溶劑、鋰鹽和添加劑；所述的添加劑為具有式1咪唑啉酮環結構化合物中的一種；

其中，

R1～R2獨自選自H、烷烴基、烷氧基、烯烴基、五元～七元的環烷基、五元～七元的雜環烷基、部分不飽和的五元～七元的環烴基、苯、五元～六元雜環芳基或者稠環基團；

W為親水基團，選自O、S；

所述的環烷基、雜環烷基、苯、雜環芳基、稠環基團的環結構上可以含有取代基，所述的取代基為C1-C6的烷基或者苯基。