[發明專利]具有高能量密度的鋰硫電池

在審

• 申請號: 202180032796.7
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN115485904A
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 金容輝;李昌勛;樸晟孝
• 申請（專利權）人: 株式會社LG新能源
• 主分類號: H01M10/0569
• 分類號: H01M10/0569;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 王海川;陳海濤

本發明公開了一種具有高能量密度的鋰硫電池，其中所述鋰硫電池在即使不使用腈類溶劑的情況下使用微溶劑化電解質(SSE)體系(放電容量：～1,600mAh/gs)來代替現有的陰極電解質體系(放電容量：～1,200mAh/gs)，因此能夠利用硫的高理論放電容量(1,675mAh/g)的90％以上，還能夠通過同時使用具有高比表面積的正極碳材料而使性能進一步最大化。所述鋰硫電池包含：電解質，所述電解質包括含有含氟醚化合物的第一溶劑、含有二醇二醚類化合物的第二溶劑和鋰鹽；以及正極，所述正極包括硫和碳材料作為活性材料，其中所述正極中包括的硫的利用率為理論放電容量的90％以上。

技術領域

本申請基于2020年9月29日提交的韓國專利申請第10-2020-0126558號要求優先權，該韓國專利申請的內容全部通過引用并入本文。

本發明涉及一種能夠使用硫的高理論放電容量的90％以上的具有高能量密度的鋰硫電池，更具體來說，涉及一種即使在不使用腈類溶劑的情況下，通過使用微溶劑化電解質(sparing solvating electrolyte,SSE)體系(放電容量：～1,600mAh/gS)代替現有的陰極電解質體系(放電容量：～1,200mAh/gS)以及通過同時使用具有高比表面積的正極碳材料使性能進一步最大化，也能夠使用硫的高理論放電容量(1,675mAh/g)的90％以上的具有高能量密度的鋰硫電池。

背景技術

隨著人們對儲能技術的興趣逐漸增加，同時應用領域從移動電話、平板電腦、筆記本電腦和攝像機擴展到了電動車輛(EV)和混合動力電動車輛(HEV)的能量，對電化學裝置的研究和開發已經逐漸增加。電化學裝置是這些方面中最受關注的領域，即使在它們當中，諸如能夠充/放電的鋰硫電池等二次電池的開發也是人們關注的焦點。近年來，在開發這些電池時，為了提高容量密度和比能量，已經引領了新電極和電池設計的研究和開發。

在這些電化學裝置中，鋰硫電池(Li-S電池)具有高能量密度(理論容量)，作為能夠代替鋰離子電池的下一代二次電池而受到了關注。在此類鋰硫電池中，放電過程中發生了硫還原反應和鋰金屬氧化反應，此時，硫由具有環狀結構的S₈形成了具有線性結構的多硫化鋰(LiPS)，此類鋰硫電池的特點是分階段表現出放電電壓，直到多硫化物完全還原為Li₂S為止。

然而，在鋰硫電池的商業化中，最大的障礙是壽命，充/放電效率在充/放電過程中降低，電池壽命降低。此類鋰硫電池壽命降低的原因是多種多樣的，諸如電解質的副反應(由于電解質分解導致副產物沉積)、鋰金屬的不穩定性(枝晶在鋰負極上生長從而產生了短路)、正極副產物的沉積(多硫化鋰從正極溶出)等等。

即，在使用硫類化合物作為正極活性材料、使用諸如鋰的堿金屬作為負極活性材料的電池中，在充/放電過程中發生多硫化鋰溶出和穿梭現象，多硫化鋰被傳輸到負極從而降低了鋰硫電池的容量。因此，鋰硫電池存在壽命下降和反應性降低的大問題。即，因為從正極溶出的多硫化物在有機電解質中具有高溶解度，因此可能發生不希望的通過電解質向負極移動(PS穿梭)。結果，由于正極活性材料的不可逆損失而導致容量下降，并且將由于副反應導致硫粒子沉積在鋰金屬表面上而造成電池壽命下降。

另一方面，鋰硫電池的行為可能會因電解質而發生很大變化，當正極的硫以多硫化鋰(LiPS)形式溶出到電解質中時，電解質稱為陰極電解質，當硫幾乎沒有以多硫化鋰形式溶出時，電解質稱為微溶劑化電解質(SSE)。因為使用現有陰極電解質體系的鋰硫電池依賴于生成了具有Li₂S_x形式的中間多硫化物的液體反應(陰極電解質型)，因此存在著以下問題：硫的高理論放電容量(1,675mAh/g)未被充分利用，相反，由于多硫化物溶出導致電池劣化而使電池壽命迅速下降。

相反，最近已經開發了一種能夠抑制多硫化物溶出的微溶劑化電解質(SSE)體系以使用硫的理論放電容量的90％以上，但所述SSE體系幾乎依賴于腈類溶劑。在這種情況下，因為鋰負極通過與鋰負極的反應而劣化并且在鋰硫電池內部產生了氣體，因此在電池壽命方面存在致命的缺點。