[发明专利]一种电解液和包括其的锂硫电池

说明书

本发明提供一种用于锂硫电池的电解液，其包含：浓度为0.5～2M的有机锂盐溶液，以及相对于100质量份的所述有机锂盐溶液，0～5质量份的无机锂盐，0.005～3质量份的可溶解硫化锂的添加剂，其中，所述有机锂盐溶液中的溶剂选自醚类溶剂和酯类溶剂中的一种或两种以上的混合物。本发明所述的电解液能够有效降低活化电压。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种用于锂硫电池的电解液，以及包括其的锂硫电池，所述电解液能够显著降低硫化锂正极活化电压。

背景技术

随着社会的快速发展和能源结构的变革，人类对能源储存技术的需求愈发迫切。锂离子电池(LIBs)作为应用最广泛的商业化二次储能电池因受正极能量密度的限制，无法完全满足快速发展的电动汽车、大尺寸储能设备和先进便携式电子设备的需求。锂硫电池具有相对较高的能量密度，被认为是最有竞争力下一代电池体系之一。单质硫正极的理论比容量高达1672mAh g^-1,与金属锂组成电池时的理论能量密度可达2600Wh^-1，是目前商品化常规锂离子电池理论能量密度的3～5倍。然而单质硫作为正极，充放电过程中的体积膨胀，以及负极必须采用金属锂搭配是其最主要的两个安全性问题。体积膨胀会导致正极的电极材料脱落，严重会使电池膨胀爆炸，引入了非常严重的安全隐患，制约了锂硫电池的应用。

硫化锂作为一种可替代单质硫的正极材料因其1166mAh g^-1的高理比论容量获得了广泛的关注，作为锂硫电池的放电产物，其体积处于整个充放电过程中的最大状态，可以从根源上避免体积膨胀效应。除此之外，由于硫化锂本身含锂，其对应的负极可以选用商业碳材料以及硅，锡等其它非锂负极。基于以上两点，电池的安全性可以得到极大地提高。但是相较于单质硫，硫化锂在首次充电活化时，需要施加非常高的电压来克服从硫化锂到多硫化物转化的势垒(～4V)。而过高的活化电压会使醚类溶解发生氧化分解，致使电池安全性降低。因此，降低硫化锂活化电压课题引起了研究者们的关注。

目前报道的降低硫化锂的活化电压的方法主要集中在对硫化锂正极的修饰改性，例如：通过制备纳米级别硫化锂，减小硫化锂的颗粒尺寸，缩短电子和锂离子的传输路径；通过与碳等导电基体复合提高电极的导电性等方法。但这些改性的方法往往工艺复杂，成本较高，难以产业化应用。电解液作为锂硫电池中的重要组成，如今已经形成了由醚类溶剂，锂盐，添加剂硝酸锂组成的比较成熟的锂硫电池体系电解液。锂硫电解液虽然在常规锂硫电池中应用很广泛，但是对硫化锂正极的活化电压没有帮助。

发明内容

技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种电解液，其能够显著降低硫化锂正极活化电压，其配置简单，成本低廉，易获得并能在首圈充电过程中降低硫化锂活化电压。

技术方案

通过热力学和电化学研究分析硫化锂活化机理时发现，硫化锂的活化过程分为四个阶段，前两个阶段中硫化锂转变成多硫化锂是固相转变过程，硫化锂在电解液中的电荷转移极其困难，从而导致了反应动力学差以及极高的势垒。第三阶段反应生成多硫化物后溶解在电解液中电荷转移动力学迅速升高则不会产生势垒。本发明的发明人发现：若在锂硫电解液中添加特定的添加剂，则可以显著减小活化电压。

基于上述发现，本发明提供了电解液，其用于锂硫电池，所述电解液包含：

浓度为0.5～2M的有机锂盐溶液，以及

相对于100质量份的所述有机锂盐溶液，

0～5质量份，优选1～3质量份的无机锂盐，

0.005～3质量份，优选0.025～1质量份，更优选0.025～0.2质量份的可溶解硫化锂的添加剂，

其中，所述有机锂盐溶液中的溶剂选自醚类溶剂和酯类溶剂中的一种或多种；更优选地，所述溶剂为醚类溶剂。