[发明专利]一种锂硫电池电解液及其应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，特别涉及一种含有金属酞菁化合物液相催化剂的锂硫电池电解液及其应用。

背景技术

锂硫电池是指采用硫或含硫化合物作为正极，锂或储锂材料为负极，以硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能相互转换的一类电池体系。与其他“摇椅”反应的锂电池一样，在充放电过程中，锂离子作为导流子在正负极之间“穿梭”。放电时，锂离子从负极往正极迁移，正极活性物质的硫-硫键断裂，与锂离子生成Li₂S；充电时Li₂S电解，释出的锂离子重新迁回负极，沉积为金属锂或者嵌入负极材料。锂硫电池的理论比容量高达1675mAh·g^-1，质量和体积理论能量密度分别高达2600Wh·kg^-1和2800Wh·L^-1，是目前已知固体正极材料中容量最高的，具有良好的应用前景。

然而锂硫电池存在着库伦效率低、循环寿命短、自放电率高、安全性差等一系列问题亟需解决。主要是由于硫的导电性差，放电过程体积膨胀严重；中间产物多硫化物的充放电不完全；多硫化物溶于电解液后与迁移锂负极反应造成不可逆容量损失，称为“穿梭效应”。目前对锂硫电池的正极材料的研究工作有使用碳质材料等作为导电骨架与硫复合，帮助改善硫单质导电性差的缺陷。有些研究用氧化物材料与硫复合，为多硫化物体积变化提供的空间。一些研究在两极之间填入碳质间隔层，对于锂硫电池的穿梭效应具有抑制作用。因此必须开发新的方法可以有效的抑制穿梭效应，提高锂硫电池的循环效率，进而发挥锂硫电池超高比容量的优势。

发明内容

为了解决锂硫电池充放电过程中循环效率低，动力学缓慢等问题，本发明提供了一种含有金属酞菁化合物液相催化剂的锂硫电池电解液，在应用于锂硫电池时，能改变电池充电电极反应步骤，改善电极过程动力学，提高反应速率。该电解液可以显著提高锂硫电池的循环稳定性和循环效率。

所述锂硫电池电解液包括线形醚类溶剂、环形醚类溶剂、导电锂盐和金属酞菁化合物；所述锂硫电池电解液是通过以下步骤制得：线形醚类溶剂和环形醚类溶剂按体积比1:9～9:1混合，除去混合溶剂当中的水分至1～10ppm以下；在氦气气氛下，将导电锂盐加入上述混合溶剂中，得到基础电解液，所述导电锂盐于所述基础电解液中的浓度为0.1～5mol/L；在基础电解液中加入液相催化剂，得到所述锂硫电池电解液，所述液相催化剂为金属酞菁化合物，浓度为0.01～1mol/ml。

优选的，所述金属酞菁化合物是Fe、Co、Cu、Ni、Zn、Mn、Ru、Rh、Y、W、Re、Os、Zr、La、Ce、Eu、Gd、Ir、Pt、Mo、Nb、Pd、W中的至少一种和酞菁或酞菁衍生物组成的化合物。

优选的，所述线形醚类溶剂是乙二醇二甲醚(EGDME)及其衍生物，所述环形醚类溶剂是1,3-二氧五环(DOL)及其衍生物。

优选的，所述导电锂盐选自六氟磷酸锂(LiPF₆)、四氟硼酸锂(LiBF₄)、三氟甲基磺酸锂(LiCF₃SO₃)、高氯酸锂(LiClO₄)、六氟砷酸锂(LiAsF₆)、双三氟甲基磺酞亚胺锂(LiN(SO₂CF₃)₂)、硝酸锂(LiNO₃)中的至少一种。

优选的，所述的除水是使用分子筛、浓硫酸、氢氧化钾、碱金属、碱土金属、五氧化二磷、氯化钙、无水氧化钙、氢化锂、活性炭中的一种或几种进行处理。

优选的，所述液相催化剂含量为0.1-10mmol/ml。

优选的，所述导电锂盐于所述基础电解液中的浓度为0.3～0.7mol/L。

本发明的另一目的在于提供所述的含金属酞菁化合物液相催化剂的锂硫电池电解液的应用。

一种锂硫电池，包括正极材料和负极材料，所述正极材料是硫或含硫化合物，所述负极材料是锂或储锂材料，其特征在于：所述正极材料和负极材料之间具有权利要求1～5任一项所述的锂硫电池电解液。

优选的，所述的正极材料为硫碳混合材料。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点和效果：