[发明专利]一种伪高浓度酯类锂硫电池电解液及锂硫电池

说明书

本发明公开了一种伪高浓度酯类锂硫电池电解液，电解液含有锂盐、酯类溶剂和非溶剂溶液的电池电解液，所述锂盐在醚类溶剂中的浓度高于3.0mol/L，锂盐在伪高浓度电解液中的整体浓度不低于0.5mol/L。本发明提供的电池电解液，可以改善使用高浓度锂盐的锂硫电池电解液的高粘度和低电导率问题，并且具有不可燃性，可显著提高锂硫电池的电化学性能和安全性。

技术领域

本发明涉及伪高浓度酯类锂硫电池电解液，主要应用于锂硫电池。

背景技术

锂硫电池理论比容量为1675mAh/g，理论比能量为2600Wh/Kg，远高于现有的锂离子电池。并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。因此，锂硫电池成为下一代高比能锂电池的候选，引起了全世界范围的关注。锂硫电池中间产物多硫化锂会与酯类直接发生反应，锂硫电池一般采用醚类作为电解液溶剂，而不是锂离子电池电解液所采用的碳酸酯和羧酸酯等。多硫化锂在醚类电解液中的溶解度较高，充放电过程中溶解在电解中的多硫化锂会迁移至负极并与金属锂负极发生腐蚀反应，同时消耗正负极的活性物质，造成电池循环性能差、库伦效率低。同时，硫和Li₂S的绝缘性、充放电过程中的体积膨胀等也严重影响了锂硫电池的活性物质利用率和循环稳定性，严重阻碍了其实用化进程。

针对锂硫电池的问题，全世界的科研工作者从硫正极微结构设计、功能性隔膜的制备、电解液改性以及金属锂负极的保护等多个方面开展了许多研究工作，取得了显著的效果。尽管如此，大部分工作都基于醚类电解液展开，仍旧不能完全抑制充放电反应中间产物多硫化锂在电解液中的溶解和迁移，电池循环稳定性不够好。同时，相对于酯类来说，醚类的沸点很低，因而电池热稳定性较差，严重影响电池的安全性。另外，研究人员还提出将裂解之后的小分子硫注入到微孔碳的孔道中形成小分子硫正极，以及硫化聚丙烯腈为代表的聚合物硫正极材料。这两类硫正极中的硫与电极材料结合比较紧密，可以采用常规碳酸酯类电解液，电池循环稳定性也比较好。但是，这两类硫正极中硫含量很低，一般不超过50％，因此很难获得较高能量密度的锂硫电池。因此，降低穿梭效应等对电池性能的影响，有效提升硫正极中的硫含量和提高电池的热稳定性是实现锂硫电池产业化的必经之路。

同时，已经有一些文献报道了高浓度锂盐电解液在锂离子电池和锂硫电池中的应用，主要是利用溶剂分子与锂离子之间强烈的溶剂化作用减少电极、集流体等与电解液之间的副反应。因此，高浓度电解液在提高电解液耐氧化性、耐还原性和抑制集流体铝箔的腐蚀方面表现出显著的优势。同时，非EC基的高浓度锂盐电解液也有助于石墨负极表面SEI膜的形成，不会发生石墨的剥离。同时，我们已经证实高浓度的酯类电解液可以应用于锂硫电池的，碳酸酯类溶剂全部参与电解液中锂离子溶剂化，进而避免了酯类溶剂与多硫化锂的直接反应。同时，高浓度电解液处于饱和状态，不会有更多的多硫化锂溶解在电解液中，因而采用此电解液的锂硫电池具有较高的库伦效率，没有穿梭效应。第三，该电解液采用碳酸酯类作为溶剂，具有较高的沸点，因而提高了电池的热稳定性和安全性。第四，该高浓度酯类电解液适用于单质硫作为正极的锂硫电池，相对于小分子硫正极和硫化聚丙烯腈正极来说，正极活性物质含量高，有利于获得能量密度更高的锂硫电池。

但是，酯类高浓度电解液还存在粘度太高、电导率太低等问题，影响了这类电解液在锂硫电池中的应用。针对这些问题，本发明提出一种伪高浓度碳酸酯类锂硫电池电解液，主要应用于锂硫电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂硫电池电池电解液，能够解决高浓度锂硫电池酯类电解液的高粘度和低电导率的问题。

本发明提供如下技术方案：

一种伪高浓度酯类锂硫电池电解液，所述电解液含有锂盐、酯类溶剂和非溶剂液体；所述锂盐在酯类溶剂中的浓度高于3mol/L；所述非溶剂液体选自锂盐在其中溶解度低于低于0.1mol/L的有机溶剂。

上述技术方案中，作为优选，所述锂盐在酯类溶剂中的摩尔浓度高于3.0mol/L，且所述锂盐在电解液中的整体浓度高于0.5mol/L。