[发明专利]用于Li-S电池的电解液及其制备方法和包含该电解液的Li-S电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解液及其制备和二次电池，尤其涉及一种Li-S电池用的电解液、Li-S电池及该电解液的制备方法。 

背景技术

由于汽车工业的持续发展，对高能量密度二次电池的需求逐步增加，锂硫电池开始走进人们的视野。锂硫电池的理论比能量高达2600Wh/Kg，而单质硫的理论比容量高达1680 mAh/g。同时硫的储量丰富，廉价，并且环境友好。虽然可充电锂硫电池相比于传统锂离子电池有诸多优势，但目前表现出的能量密度低、循环寿命短等弊端限制了其大规模应用。 

锂硫电池能量密度低、循环寿命短主要有以下几个方面的原因：第一，正极活性物质单质硫是绝缘体，需在正极中加入大量导电剂，这虽然能够在一定程度上提高正极的性能，但非活性物质的加入，降低了电池的能量密度。第二，由于锂硫电池电化学反应的中间产物，高价态聚硫锂在有机电解液中具有高溶解性，放电终止时聚硫锂不能完全转化为固态产物，充电终止时只有少量的活性物质能够被氧化至单质硫，而大量活性物质则以高价态聚硫锂的形式存在于电解液中，所以现有锂硫电池的放电容量远低于理论容量。目前，国内针对该问题的主要解决办法集中在采用新型结构的碳导电剂，希望借助导电碳丰富的空隙结构提供高比表面积及超强吸附能力，限制聚硫锂从正极结构中溶出来，但是至今仍然没有一种理想的碳结构能够从根本上解决聚硫锂的溶出问题。第三，负极活性物质金属锂在充放电过程中与有机溶剂不断反应导致电解液枯竭，同时溶剂的分解产物会在负极和正极上沉积导致电极的钝化，并且金属锂在电池循环过程中反复的溶解和沉积导致表面粉化。为了提高负极的循环寿命，研究者致力于对锂的表面进行保护，希望通过物理方法或化学方法在锂表面生成保护层，来降低锂与溶剂的副反应及表面枝晶化，从而延长锂的使用寿命。第四，电解质盐在循环过程中会使正极活性物质氧化生成Li_xSO_y，导致活性物质的不可逆损失，从而降低了电池的能量密度和循环寿命。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原料来源广泛、能够提高锂硫电池能量密度和循环寿命的用于Li-S电池的电解液及包含该电解液的Li-S电池，还相应提供一种工艺步骤简单、操作成本低的该电解液的制备方法。 

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于Li-S电池的电解液，所述电解液主要由电解质盐和有机溶剂组成，所述电解质盐包含聚硫锂，该聚硫锂的分子式为Li₂S_n，其中2≤n≤12。 

上述的用于Li-S电池的电解液中，所述电解质盐中还优选包含有锂盐。所述锂盐优选为六氟磷酸锂（LiPF₆）、四氟硼酸锂（LiBF₄）、六氟砷酸锂（LiAsF₆）、高氯酸锂（LiClO₄）、三氟甲基磺酰亚胺锂（LiN(CF₃SO₂)₂即LiTFSI）、三氟磺酰锂（LiSO₃CF₃）中的至少一种（特别优选为三氟甲基磺酰亚胺锂和/或高氯酸锂）。所述锂盐在电解液中的摩尔浓度优选为0.1M～2.0M。 

上述的用于Li-S电池的电解液中，所述聚硫锂在电解液中的摩尔浓度以硫元素计为0.01M～12.0M（特别优选为1.0M～8.0M）。 

上述的用于Li-S电池的电解液中，所述聚硫锂可以为单一链长的聚硫锂或者为不同链长的聚硫锂的混合物。聚硫锂分子的链长和分子量等主要由分子中所含的S原子数量决定，在制备过程中，通过控制金属锂和单质硫的不同投料摩尔比等工艺条件可有效调整聚硫锂的链长。 

上述的用于Li-S电池的电解液中，所述有机溶剂优选为乙醇、乙腈、环己烷、环己酮、异丙醇、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丁酸乙酯、二甲氧基乙烷、1，3-二氧戊烷、乙二醇二甲醚、二甘醇二甲醚（二甲氧基乙基醚）、四甘醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、环丁砜、二亚甲砜、二甲基砜中的至少一种（最优选为1，3-二氧戊烷、乙二醇二甲醚、二甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、二乙二醇二甲醚中的一种或多种）。当选用多种溶剂的混配时，可按任意比例混合。