[发明专利]锂硫电池用电解液和包含所述电解液的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用电解液和包含所述电解液的锂硫电池，并且更具体地，涉及包含锂盐、有机溶剂以及添加剂的锂硫电池用电解液，其中所述添加剂包含碱金属盐型离聚物。所述锂硫电池用电解液通过包含含有碱金属离子的聚合物作为添加剂而改善锂离子的迁移特性并且由此改善所述锂硫电池的容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求在韩国知识产权局于2017年5月26日提交的韩国专利申请号10-2017-0065508和于2017年12月6日提交的韩国专利申请号10-2017-0166320的权益，并将其公开内容以引用的方式整体并入本文中。

本发明涉及一种锂硫电池用电解液和包含所述电解液的锂硫电池。

背景技术

近来，电子装置和通信装置正在迅速变得更小、更轻、性能更高并且牵涉到环境问题而对电动车辆的需求已经大大增加。据此，对用作这些产品的能源的二次电池的性能改善的需求正在不断增长。为了实现满足该需求的二次电池，已经对使用硫类材料作为正极活性材料的锂硫电池进行了许多研究。

锂硫电池是一种二次电池，其使用包含硫-硫键的硫类化合物作为正极活性材料并且使用能够嵌入或脱嵌碱金属如锂或金属离子如锂离子的碳类材料作为负极活性材料。

具体来说，锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/g并且它的理论能量密度为2600Wh/kg。由于锂硫电池的理论能量密度是目前所研究的锂离子电池(约570Wh/kg)的理论能量密度的约5倍，因此锂硫电池是能够具有高容量、高能量密度和长寿命的电池。此外，由于作为正极活性材料的主要材料的硫具有低原子量、资源丰富、易于供应、廉价、无毒并且是环境友好物质，因此锂硫电池已经作为中型到大型装置(如电动车辆)以及便携式电子装置的能源而受到关注。

具体地，在锂硫电池的负极处发生锂的氧化反应并且在正极处发生硫的还原反应。在放电之前硫具有环状S₈结构。在还原反应(放电)期间，随着硫-硫键断裂，硫的氧化数减少，并且在氧化反应(充电)期间，随着硫-硫键再次形成，S的氧化数增加。使用该氧化还原反应来储存和产生电能。在该电化学反应期间，硫通过还原反应从环状结构的S₈转化成线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4、2)。当多硫化锂被完全还原时，最终产生硫化锂(Li₂S)。通过还原成各多硫化锂的过程，锂硫电池的放电行为不同于锂离子电池，显示逐步放电电压。

在作为锂硫电池中电化学反应的中间产物的多硫化锂如Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄以及Li₂S₂中，硫氧化数高的多硫化锂(Li₂S_x，通常x4)是具有强极性并且容易溶解在含有亲水性有机溶剂的电解液中的物质。溶解在电解液中的多硫化物通过浓度差而进行远离正极的扩散。由此从正极溶出的多硫化锂离开正极的电化学反应区域，并且因此不可能逐步还原成硫化锂(Li₂S)。也就是说，由于远离正极并且以溶解状态存在于电解液中的多硫化锂不能参与电池的充电反应和放电反应，因此用作正极活性材料的硫损失，并且硫的损失是锂硫电池的容量降低和寿命缩短的主要因素。

此外，由于溶出的多硫化锂除了漂浮在电解液上或沉淀在电解液中之外还与作为负极的锂金属直接反应并且硫化锂粘附在锂金属的表面上，因此反应活性降低并且电位特性劣化，从而导致负极腐蚀的问题。

为了使多硫化锂的溶出降到最低限度，正在研究各种方法，所述方法包含将具有吸附硫的特性的添加剂添加到正极混合物或电解质中的方法；用含有特定官能团的物质对正极活性材料的表面进行表面处理的方法；使用在碳材料或金属氧化物中含有硫的复合物作为正极活性材料的方法等。