[发明专利]一种全固态锂金属-硫电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全固态锂金属‑硫电池及其制备方法。目前全固态锂金属‑硫电池，存在着固体电解质与正负极接触电阻大、固体电解质过厚、固体电解质批量生产困难等缺点。本发明的全固态锂金属‑硫电池使用的电解质为双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚@锂离子电池隔膜的薄膜型复合固体电解质；硫正极的材料包括硫粉、纳米氧化镁、碳纳米管、科琴黑和聚氧化乙烯；硫正极极片表面涂布双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚；锂金属负极表面涂布双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚。本发明的薄膜型复合固体电解质可以避免硫正极的“穿梭效应”，制备的全固态锂金属‑硫电池具有较高的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体地说是一种全固态锂金属-硫电池及其制备方法。

背景技术

根据我国《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年动力型锂离子电池比能量达到300Wh/Kg；到了2030年，比能量要达到500Wh/Kg，而常规的商业型锂离子电池在达到300Wh/kg后，基本上到达了目前材料所限的理论天花板，进一步的提高锂离子电池的比能量不仅很困难而且极不安全。只有另立炉灶，彻底革新锂离子电池的旧有框架以及相应的电池材料才有可能在保证安全的前提下大幅度的改善锂电池的比能量。目前锂金属-硫电池受到了业内的广泛关注，原因在于锂金属负极以及单质硫正极都具有极高的理论比容量，业内普遍认为，锂金属-硫电池的比能量有望超过500Wh/kg。但是使用液态电解质的锂金属-硫电池面临两大难以克服的困难。第一，在充电过程中，锂以枝晶的方式沉积于锂金属负极表面，容易刺穿隔膜导致电池的短路，存在着严重的安全隐患。第二，在放电过程中，硫与锂离子发生反应形成多硫化物小分子，这些多硫化物小分子易溶解于电解液中，随后随电解液扩散至负极一侧与锂金属发生副反应，不仅消耗了正负极的活性物质，最重要的是在锂金属表面形成一层锂离子电导率极低的Li₂S，从而导致负极的失效，这就是锂金属-硫电池著名的“穿梭效应”。为了彻底解决这两个难题，使用具有高杨氏模量以及不溶解多硫化物小分子的固体电解质，来取代目前锂-硫电池中的液态电解质，是一种极具现实意义的思路。

尽管如此，目前全固态锂金属-硫电池也存在着固体电解质与正负极接触电阻大、固体电解质过厚、固体电解质批量生产困难等缺点。所以开发一种薄膜型的固体电解质，且具有对正负极润湿性好、成本低、批量生产容易的优点，将具有广阔的应用前景和重大的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有全固态锂金属-硫电池存在的问题，提供一种使用新型薄膜型复合固体电解质的全固态锂金属-硫电池。

为此，本发明采用的技术方案为：一种全固态锂金属-硫电池，其使用的电解质为双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚@锂离子电池隔膜的薄膜型复合固体电解质；硫正极的材料包括硫粉、纳米氧化镁、碳纳米管、科琴黑和聚氧化乙烯；硫正极极片表面涂布双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚；锂金属负极表面涂布双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚。

本发明的薄膜型复合固体电解质，具有离子电导率高、电化学窗口宽；对锂金属负极循环稳定，对正负极有良好的润湿效果，对正负极接触电阻小；本发明的薄膜型复合固体电解质可以避免硫正极的“穿梭效应”，制备的全固态锂金属-硫电池具有较高的循环稳定性；本发明的全固态锂金属-硫电池具有电池内阻低、比容量高等优点。

作为上述全固态锂金属-硫电池的补充，双三氟甲基磺酰亚胺锂/聚氧化乙烯/四乙二醇二甲醚@锂离子电池隔膜的薄膜型复合固体电解质中，双三氟甲基磺酰亚胺锂与聚氧化乙烯的单体摩尔比为1:5，双三氟甲基磺酰亚胺锂-聚氧化乙烯与四乙二醇二甲醚的质量比为1:1，使用锂离子电池隔膜作为基底，所述的导锂聚合物电解质包覆在锂离子电池隔膜表面。