[发明专利]用于锂硫电池的电解液以及包括这种电解液的锂硫电池

说明书

相关申请的交叉参考

此申请是依据2001年7月25日提交韩国工业产权局的申请号为2000-42736和2000-42737的申请，该申请的内容引入本文作为参考。

发明的背景

(a)发明领域

本发明涉及用于锂硫电池的电解液，以及含有这种电解液的锂硫电池，具体地涉及通过将具有高介质常数的溶剂和具有低粘度的溶剂混合所制备的锂硫电池电解液和包含这种电解液的锂硫电池。

(b)相关技术的描述

根据可移动电子设备的迅速发展，增加了对二次电池的需求。近年来，为了顺应密集型、薄型、小型和轻型可移动电子设备的趋势，增加了对高能量密度电池的需要。由此，需要开发一种具有好的安全性、经济性和对周围环境无害的电池。

在满足上述要求的电池中，锂硫电池在能量密度方面是最有利的。用作负极活性物质的锂的能量密度为3830mAh/g，用作正极活性物质的硫(S₈)的能量密度是1675mAh/g，这些活性材料便宜并且对环境无害。然而，锂硫电池系统的使用仍不普及。

锂硫电池的使用仍不普及的原因在于：与加入硫的量相比，电池中用在电化学还原/氧化(氧化还原作用)的硫的量非常低。也就是说，硫的利用非常低，以至于当硫用作活性物质时，电池容量非常低。

另外，在氧化还原反应期间，硫泄漏到电解液中，因此破坏了电池的循环寿命。同样，当没有选择合适的电解液时，硫化锂(Li₂S)(硫被还原的材料)沉积出来，以致于不能再参与电化学反应。

同样，为了改善循环寿命和安全性，美国专利US5961672公开了含有1MLiSO₃CF₃且混合比为50/20/10/20的1，3-二氧杂环乙烷/二甘醇二甲醚/环丁砜(sulforane)/二甲氧基乙烷混合的电解液溶液和用聚合物覆盖的金属锂负极。

美国专利US5523179、5814420和6030720提出了解决此问题的技术上的改进。美国专利US6030720公开了一种混和溶剂，其中包含通式为R₁(CH₂CH₂O)_nR₂(n在2至10之间，R₁和R₂是不同或相同的烷基或烷氧基)的主溶剂和给电子体数至少约15的助溶剂。同样，上述专利采用液体电解质溶剂，该溶剂包括至少一种供电子溶剂，例如冠醚或穴状配体，在放电之后，电解液最终转变为阴极电解质。该专利公开分隔距离小于400μm，上述分隔距离定义为单电池阴极电解液存留区域的边界。

同时，仍需要解决用锂金属作为负极的电池的循环寿命缩短的问题。循环寿命缩短的原因是：随着充/放电循环的重复进行，由金属锂沉积而形成的枝晶在锂负极表面生长并达到正极表面，从而导致了短路。另外，由于锂表面和电解液的反应而出现的锂腐蚀降低了电池的容量。

为了解决这些问题，美国专利US6017651、US6025094、US5961672公开了一种在锂电极的表面上形成保护层的技术。

为了良好地工作，要求保护层能够使锂离子自由迁移并禁止锂与电解液接触。但是，已知的方法至今仍存在一些问题。

大部分锂保护层是在制造电池之后通过电解液中的添加剂与锂反应形成。但是，由于这种方法不能形成致密层，致使许多电解液渗入锂金属并与之接触。

还存在一种通过锂表面的氮等离子反应在锂表面上形成氮化锂(Li₃N)层的方法。但这种方法仍有问题：电解液通过颗粒边界渗入；由于水蒸气，氮化锂层可能分解；以及电位窗(potential window)非常低(0.45V)，因此实际上很难采用。

发明概述

提出本发明以解决这些问题，因此，本发明的一个目的是提供一种用于锂硫电池的电解液，此电解液是通过将具有高介电常数的溶剂和具有低粘度的溶剂混合而制备的，以提高锂硫电池的循环寿命特性和容量特性。

本发明的另一个目的是提供一种采用此电解液的锂硫电池。

为了达到此目的，本发明提供一种用于锂硫电池的电解液，包括：介电常数大于或等于20的溶剂；粘度小于或等于1.3的溶剂；电解质盐。

详细说明及优选实施例