[發明專利]一種提升鋰硫電池性能的電解液添加劑及高性能鋰硫電池

在審

• 申請號: 202110323939.1
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN115133123A
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 肖丹;郭勇;王玉玨;孟巖
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/052
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種提升鋰硫電池循環壽命的電解液添加劑及長壽命鋰硫電池，通過在鋰硫電池電解液體系中引入離子型添加劑，這類添加劑的特點在于，其可在鋰硫電池的電解液體系中電離，其陽離子與溶解于電解液中的多硫化物陰離子具有較強的結合能力且空間體積較大，減緩多硫化物陰離子的遷移，而其陰離子在電解液中的遷移速率快于多硫化物陰離子，可率先抵達鋰負極表面形成電中性，這樣溶解的多硫化物陰離子向鋰負極的遷移將受阻，從而緩解“穿梭效應”；同時添加劑陰離子還可參與形成保護性固體?電解質界面，阻礙溶解的多硫化物與鋰負極的接觸以減少活性物質硫的損失；應用于鋰硫電池中可極大提高電池的循環壽命。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，尤其涉及一種提升鋰硫電池性能的電解液添加劑及高性能鋰硫電池。

背景技術

商用鋰離子電池正極材料，如鈷基或鎳基層狀金屬氧化物LiCoO₂(LCO)、LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM)、LiNi_xCo_yAl_zO₂(NCA)，以及橄欖石結構LiFePO₄(LFP)，比容量都不超過280mAh g^-1，能量密度小于700Wh kg^-1，并且成本較高。因此，開發新型二次電池，特別是新型正極材料是當務之急。硫是一種豐度非常高的元素，且成本低廉。當用作正極材料時，其理論比容量和能量密度分別為1675mAh g^-1和2510Wh kg^-1，是一種非常具有實際應用前景的商用正極材料替代品。

盡管鋰硫電池具有上述的優點，但其仍面臨著一些實際問題，如S及其放電產物(Li₂S，Li₂S₂)的導電率低、充放電循環過程中涉及的多硫化物飛梭效應會導致較嚴重的自放電、庫侖效率低、循環壽命短、S轉變為Li₂S涉及的體積膨脹大(約80％)、S正極利用率低等，而其中最亟待解決并且最引人關注的問題是多硫化物的飛梭效應。在解決多硫化物飛梭的常用方案中，改善電解液體系，如添加電解液添加劑、采用新的電解液體系等是最為簡便的改進手段，其更易于實際使用而不會增加電池制造的復雜性。季銨鹽、季磷鹽或季砷鹽類添加劑由于其陽離子與多硫陰離子的強結合作用，將有效減緩已溶解多硫化物在電解液中向負極的遷移，同時其陰離子的遷移速率高于多硫陰離子，放電過程中將率先抵達負極附近形成電中性，進一步減緩多硫化物向負極的遷移的動力學，兩種作用共同實現對飛梭效應的抑制，延長鋰硫電池循環壽命，提升鋰硫電池的性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種提升鋰硫電池性能的電解液添加劑及高性能鋰硫電池，可以實現對鋰硫電池性能的提高及壽命的延長。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

提升鋰硫電池性能的電解液添加劑，其特征在于：添加劑為離子型添加劑，其在電解液中可解離為陰陽離子。

可選的，所述添加劑陽離子種類為季銨陽離子、季磷陽離子、季砷陽離子中的一種。

可選的，所述季銨陽離子、季磷陽離子、季砷陽離子中的有機碳鏈為4個碳及以上長度的碳鏈，如烷基鏈、烯基鏈、炔基鏈、芳烴或氟代烷基鏈、氟代烯基鏈、氟代炔基鏈、氟代芳烴中的一種或幾種。

可選的，所述碳鏈為正丁基、全氟正丁基、正戊基、全氟正戊基、正己基、全氟正己基、正庚基、全氟正庚基、正辛基、全氟正辛基、正壬基、全氟正壬基、正癸基、全氟正癸基、正十一烷基、全氟正十一烷基、正十二烷基、全氟正十二烷基、正十六烷基、全氟正十六烷基、苯基、氟苯基等中的一種或幾種。

可選的，所述添加劑陰離子種類為氟離子、氯離子、溴離子、碘離子、氰基離子、氫氧根離子、六氟磷酸根離子、四氟硼酸根離子、雙-三氟甲基磺酰亞胺離子、雙-氟磺酰亞胺離子、雙草酸硼酸離子、二氟草酸硼酸離子中的一種。