[发明专利]一种一次锂硫电池电解液和锂硫电池

说明书

本发明公开了一种一次锂硫电池，所述锂硫电池包括硫正极、高浓度酯类电解液和其它必要的部分；所述的酯类溶剂包括碳酸酯、羧酸酯、硫酸酯和磷酸酯中的至少一种；锂盐在碳酸酯类溶剂中的浓度高于2mol/L。本发明采用高浓度酯类电解液的首次放电比容量高达1612mAh/g，已经接近于理论容量。并且，电池放电过程中多硫化锂的产生被有效抑制，不会发生穿梭效应，有效提高了一次锂硫电池的存储性能。

技术领域

本发明涉及一种一次锂硫电池，特别涉及一种用于一次锂硫电池的电解液。

背景技术

锂一次电池在军工、医疗和户外等领域具有广泛的应用前景和巨大的市场。经过几十年的发展，现在逐步提出了Li/MnO₂、Li/FeS₂、Li/CF_x、LiAg₂V₄O₁₁等一次电池。但是，随着社会的发进步和发展，人们对锂一次电池提出了更高的要求，包括高的比能量、好的安全性、低廉的价格、高的倍率性能和低的自放电率等。为进一步提高一次电池的比能量，具有1675mAh/g超高理论比容量的一次锂硫电池被提出。但是，由于一次锂硫电池放电中间产物会与酯类发生反应，所以现在的一次锂硫电池采用醚类电解液。这样，虽然一次锂硫电池虽然能够工作，却存在诸多问题。

首先，醚类溶剂沸点比较低，容易造成电池胀气而引起电池的安全性问题；第二，一次锂硫电池放电中间产物多硫化锂会溶解在醚类电解液中，溶解在电解液中的多硫化锂会迁移至负极并与负极发生腐蚀反应，造成电池存储性能较差，自放电严重；第三，虽然硫的理论比容量为1675mAh/g，但是由于放电产物Li₂S的绝缘性和电池中复杂的歧化反应，造成锂硫电池活性物质利用率比较低，其放电容量很难超过大多低于1300mAh/g。总之，由于采用醚类电解液，一次锂硫电池存在安全性差、自放电高、活性物质利用率低等问题，阻碍了一次锂硫电池的大规模应用。因此，寻找新的电解液体系，改善一次锂硫电池的安全性、存储性能和活性物质利用率，是推动锂硫电池大规模应用的重要措施。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了采用高浓度的酯类电解液作为一次锂硫电池电解液。

锂硫电池放电中间产物多硫化锂会与酯类溶剂发生反应，造成电解液与活性物质的同时消耗，因此锂硫电池不能直接采用酯类作为电解液溶剂。但是，本发明提出采用高浓度锂盐的酯类电解液作为一次锂硫电池电解液。高浓度电解液中，所有的溶剂都参与了锂离子的溶剂化，一方面降低了电解液的溶解性，改变了锂硫电池的放电反应机理，放电过程中S₈分子直接与锂离子反应生成低阶硫化锂而少有中间产物多硫化锂生成。另一方面，高浓度电解液中溶剂分子参与了锂离子的溶剂化，溶剂分子的反应活性降低，进而多硫化锂与酯类之间的反应被有效抑制。第三，高浓度电解液放电过程中，硫正极与电解液之间会形成一层致密的钝化膜，防止后续反应过程中活性物质与电解液之间的副反应，保证了电池具有良好的存储性能。总之，高浓度酯类电解液中，多硫化锂的产生被有效抑制，同时多硫化锂与酯类溶剂之间的反应被有效抑制，因而高浓度酯类电解液可以用于锂硫一次电池。

同时，采用高浓度酯类电解液还为一次锂硫电池带来其它优点。首先，酯类溶剂的沸点一般比醚类高，同时高浓度电解液中酯类溶剂参与了锂离子的溶剂化，降低了酯类的挥发性，因而电解液的可燃性降低，有效提高了电池的安全性；第二，采用高浓度酯类电解液的锂硫电池首次放电过程中基本不产生多硫化锂，不存在多硫化锂在电解液中的迁移造成的穿梭效应，因而明显提升了电池的存储性能，降低电池的自放电率；第三，由于电池放电机理发生变化，锂硫电池活性物质利用率有效提升。第四，高浓度酯类电解液用于锂硫电池，使得其它具有特殊功能的酯类添加剂能够应用于锂硫电池，这为锂硫电池添加剂的选择提供了更大的选择空间。

本发明所述的化合物缩写如下：