[發明專利]一種具有抑制鋰硫電池穿梭效應的電解液及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202111475942.1
• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114050317A
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 原長洲;譚兆霖;侯林瑞;劉洋
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/0568;H01M10/0569;H01M10/058;H01M10/052
• 代理公司: 山東知圣律師事務所 37262
• 代理人: 陳輝

本發明涉及鋰硫電池技術領域，具體公開一種具有抑制鋰硫電池穿梭效應的電解液及其制備方法與應用，所述電解液中溶解有均相催化劑，該均相催化劑含有環戊二烯基，所述均相催化劑包括二茂釕、二茂鈷、二茂鉻中的至少一種。本發明將含有環戊二烯基的均相催化劑溶解于電解液當中，其作為鋰硫電池電解液時表現出了更好的循環性能與倍率性能，這是因為具有上述特點的均相催化劑溶解后可以電離出帶負電的環戊二烯基配體，其與多硫化鋰中的Li+之間存在π電子?陽離子電荷相互作用，可以實現對多硫化鋰的捕獲，同時由于反應是在均相界面上進行，因此反應更加高效且迅速，最終達到抑制穿梭效應的效果，帶來更好的循環性能于倍率性能。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池技術領域，具體涉及一種具有抑制鋰硫電池穿梭效應的電解液及其制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息旨在增加對本發明總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

隨著可穿戴電子設備以及電動汽車的流行，現有的鋰離子電池已經很難滿足人們對高能量密度以及低成本電池的需求。鋰硫電池因其遠高于鋰離子電池的能量密度（~2600Wh g^-1），較低的成本，以及環境有好等優勢逐漸引起人們的廣泛關注。然而即便如此，其商業化進程卻遲遲難以推進，這是由于其存在反應動力學差，穿梭效應以及金屬鋰負極的腐蝕等各方面問題，這其中由于多硫化鋰溶解而造成的穿梭效應嚴重影響了鋰硫電池的循環性能及倍率性能。

多數的研究人員都通過設計具有催化效果的正極材料來加速多硫化鋰之間的相互轉化同時減少其溶解，來達到抑制穿梭效應的效果。例如，現有技術報道了一種鐵基（Fe₃C/Fe₃O₄/Fe₂O₃）化合物嵌入在多孔碳骨架的3D泡沫狀復合材料（稱為FeCFeOC），并將其作為正極硫的主體材料。由于鐵基化合物和多硫化物中間體之間有著較強的化學吸附作用，因此可以有效地抑制穿梭效應，在1.0C的電流密度下經過500次循環后仍具有748 mAhg^-1高比容量。然而值得注意的是，對于這種非均相催化材料，多硫化鋰的催化轉化往往只發生在有限的可接觸表面，同時多硫化鋰向其表面的緩慢擴散也會限制其反應速率，所以對于非均相催化劑來說，即便其材料本身有著較高的催化活性，然而其利用率卻難以達到較高的程度。

發明內容

針對上述的問題，本發明提供一種具有抑制鋰硫電池穿梭效應的電解液及其制備方法與應用，這種電解液可以均勻地對多硫化鋰進行轉化，從而帶來更好的循環與倍率性能。為實現上述目的，本發明公開如下技術方案。

在本發明的第一方面，公開均相催化劑在鋰硫電池中的應用。

進一步地，所述均相催化劑含有環戊二烯基（-C₅H₅），這類均相催化劑能夠有效對多硫化鋰進行捕獲和快速轉化。

優選地，所述均相催化劑包括二茂釕（Ru(C₅H₅)₂）、二茂鈷（Co(C₅H₅)₂）、二茂鉻（Cr(C₅H₅)₂）中的至少一種。這些均相催化劑可以溶于有機電解液，同時其溶解后帶負電的環戊二烯基配體與多硫化鋰中的Li⁺之間存在π電子-陽離子電荷相互作用，因此可以均勻地對多硫化鋰進行轉化，同時金屬鈷、釕以及鉻均具有d軌道單電子具有一定的催化活性，從而帶來更好的循環與倍率性能。

在本發明的第二方面，公開一種鋰硫電池電解液，所述電解液中溶解有均相催化劑，該均相催化劑含有環戊二烯基（-C₅H₅）。

進一步地，所述電解液中均相催化劑的質量分數為0.1~2.0%，優選為0.4~1.2%。