[发明专利]一种具有长循环寿命和100%库伦效率的锂硫二次电池

说明书

本发明公开了一种具有长循环寿命和100％库伦效率的锂硫二次电池，它包括正极、负极和电解液，其中正极采用的活性材料为硫碳复合材料，负极为金属锂；电解液采用非水电解质，它包括锂盐和非水有机溶剂，非水有机溶剂由碳酸亚乙烯酯和有机电解质溶剂混合而成。本发明采用的电解液可有效防止多硫离子与电解液接触，将活性物质固定在硫碳复合材料的碳基体孔隙内，有效克服现有锂硫二次电池体系多硫离子溶解流失等问题，所得锂硫二次电池具有超高循环稳定性和100％库伦效率等特点，具有重要的研究和应用价值。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种锂硫二次电池体系，具体涉及一种具有长循环寿命和100％库伦效率的锂硫二次电池。

背景技术

随着科技的发展，电动汽车、无人机、便携式电子产品等应用领域对二次电池的能量密度提出了越来越高的要求，迫切需要开发下一代先进电化学储能体系。在众多二次电池体系中，锂硫二次电池近年来备受关注。

锂硫二次电池是一种以硫或含硫复合物作为正极、金属锂作为负极，采用溶有锂盐的有机溶剂为电解液的可充电池体系，具有高达2600Wh kg^-1的理论能量密度。但其难以应用于实际，因为硫与电解液之间存在匹配性较差的问题。硫电极在醚类等可溶性电解液中，其电极反应过程为溶解-沉积反应机制，存在活性物质溶解流失的现象，导致电池库伦效率低下，循环稳定性差；在碳酸酯电解液中，硫的放电中间产物多硫离子与碳酸酯溶剂存在亲核反应，导致电极反应过程转变为固相转化反应机制，同时也易导致活性物质电化学惰性，利用率偏低。

目前，锂硫二次电池的研究工作大量集中在控制多硫离子溶解流失等方面，通过多孔材料吸附，聚合物包覆，隔膜及电极表面改性等手段，达到改善锂硫二次电池循环性能的目的。例如：Nazar等将多孔碳与单质硫复合，利用多孔碳的物理吸附作用，改善了硫正极的电化学活性及循环稳定性(Ji XL,et al.Nat Mater.2009；8:500)；崔屹等将导电聚合物包覆在单质硫表面，较显著地提高了硫电极的比容量和循环稳定性(Li W,et al.NanoLett.2013；13:5534)； Fei Wei等使用离子选择性透过膜，较好的抑制了多硫离子溶解扩散，改善了锂硫电池的循环稳定性能(Huang JQ,et al.Energy Environ Sci.2014；7:347)。但是大量的研究数据表明，锂硫二次电池的库伦效率难以达到100％，且电池组装时需要大量电解液，这与实际电池的要求相违背。因此采用醚类等可溶性电解液的锂硫二次电池并不具备实际应用前景。

采用碳酸酯电解液的锂硫二次电池不存在活性物质溶解流失，库伦效率达不到100％的问题，但又存在诸多限制，必须将活性物质与碳酸酯电解液相隔绝，避免产生严重的亲核反应。目前，在碳酸酯电解液中循环稳定的含硫材料有微孔碳/硫复合物和聚丙烯腈/硫复合物。前者利用微孔，后者利用致密的结构将电解液隔绝在外。但这两类材料含硫量少于50％，导致电池能量密度较低。如果能进一步提高硫电极的含硫量且不降低利用率，则有望推动锂硫二次电池进一步发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种基于固相转化反应机制的锂硫二次电池，该电池具有100％的库伦效率以及高循环稳定性等特点，具有重要的推广应用价值，

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有长循环寿命和100％库伦效率的锂硫二次电池，它包括正极，负极和电解液；其中正极采用的活性材料为硫碳复合材料，负极为金属锂；电解液采用非水电解质，它包括锂盐和非水有机溶剂，其中非水有机溶剂由碳酸亚乙烯酯(VC)和有机电解质溶剂混合而成。

上述方案中，所述碳酸亚乙烯酯和有机电解质溶剂的体积比为1:(0.1～10)。

上述方案中，所述有机电解质溶剂为醚类溶剂、碳酸酯类溶剂、离子液体中的一种或几种。