[發明專利]一種液態硫正極及半液態鋰硫電池

有效

• 申請號: 202011607925.4
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112736228B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 盧海;周犇;袁艷;曾富寶;杜慧玲;鄭斌;鄭學召;劉長春
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M4/136;H01M10/052
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種液態硫正極及半液態鋰硫電池，液態硫正極包括集電體和含硫溶液，含硫溶液至少由多硫化物、高施主數溶劑、有機氟醚和催化劑組成。該液態硫正極載硫量高、電解液用量少、黏度適中、離子導電好，可以避免硫正極絕緣與體積膨脹問題，同時促進硫轉化反應動力學并能抑制多硫化物穿梭。利用該液態正極制作的半液態鋰硫電池，具有高的可逆容量、良好的循環穩定性與倍率性能，實際能量密度相比傳統固態鋰硫電池更有優勢。

技術領域

本發明屬于新能源技術領域，具體涉及一種液態硫正極及半液態鋰硫電池。

背景技術

鋰硫電池的理論能量密度接近傳統鋰離子電池的10倍，而且原料來源豐富，成本具有優勢。但是現階段始終存在活性物質利用率低、循環穩定性差等問題，主要原因在于單質硫導電性差、硫鋰化前后體積變化大、轉化動力學緩慢、中間產物易溶解與穿梭等。而且該電池通常需要使用較多的電解液(即E/S比偏高)，不利于實際比能量提升，因此極大阻礙了其實用化進程。

現有技術通常是將硫與導電材料復合，這可以提高電極導電性、限域多硫化鋰，但難以從根本上限制多硫化物的溶解/穿梭，導電相作為非活性組分也會導致電極比容量下降。而優化電解液組成(例如使用有機氟醚)雖可以起到抑制多硫化物溶解、保護鋰負極的作用，但也不能克服硫正極的低導電性和體積變化缺陷。因此這些改性優化措施都有一定的局限性，無法綜合解決鋰硫電池存在的各種問題，對電池性能的改善程度相對有限。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種液態硫正極及半液態鋰硫電池，展現出優異的整體性能。

本發明采用以下技術方案：

一種液態硫正極，包括集電體和含硫溶液，含硫溶液包括多硫化物、高施主數溶劑、有機氟醚和催化劑，多硫化物的結構式為Li₂S_x，8≥x≥4，多硫化物在除有機氟醚外剩余溶劑中的摩爾濃度為0.5～10mol/L，高施主數溶劑的DN值大于24，有機氟醚與高施主數溶劑的體積比為(0.5～10):1，催化劑在含硫溶液中的質量分數為0.2％～15％。

具體的，高施主數溶劑包括N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基乙酰胺、乙酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、甲酰胺、己內酰胺、二甲基亞砜、丙二腈、四甲基脲中的至少一種。

具體的，有機氟醚為具有以下結構式物質的一種或多種：

其中，R1和R2均表示烴基、醚基中的任一種，且R1和R2中至少一個含有C-F鍵。

具體的，催化劑的陽離子包括Ni²⁺、Co²⁺、Mn²⁺、NH₄⁺中的至少一種。

具體的，含硫溶液含有成膜添加劑，成膜添加劑在含硫溶液中的質量分數為0.2％～3％。

進一步的，成膜添加劑的陰離子包括NO₃^-、FSI^-、BOB^-、ODFB^-、鹵素陰離子中的至少一種。

具體的，含硫溶液還含有低施主數溶劑，低施主數溶劑與高施主數溶劑的體積比為(0.1～19)：1。

進一步的，低施主數溶劑包括乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊環、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、四氫呋喃中的至少一種。

具體的，集電體包括鋁箔、鋁網、鎳箔、鎳網、不銹鋼片、不銹鋼網、碳紙、碳布、碳膜、導電高分子膜中的至少一種。

本發明的另一個技術方案是，一種半液態鋰硫電池，包括鋰金屬負極、隔膜和所述的液態硫正極。