[发明专利]一种金属硫电池电解液及包含该电解液的金属硫电池

说明书

本发明提供一种金属硫电池电解液，其包含非水有机溶剂、金属盐、第一添加剂和第二添加剂，该第一添加剂为LiNO₃，该第二添加剂包括如结构式I‑IV所示的化合物中的一种或者多种。本发明还提供包含该金属硫电池电解液的金属硫电池，尤其是锂硫电池。第一添加剂用于保护金属负极，提高电池的库伦效率，而第二添加剂化合物在电池使用过程中在电池正极表面还原分解形成一层正极‑电解液界面(CEI)膜，该CEI膜能有效地隔离电池正极产生的多硫化锂(Li₂S_n，3≤n≤8)与电解液的接触，限制多硫化锂在电解液中的溶解，减少多硫化锂在隔膜上的穿梭效应，抑制穿梭的多硫化锂对锂负极的腐蚀，从而提高电池循环稳定性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种金属硫电池电解液及包含该电解液的金属硫电池。

背景技术

目前人类面临着能源短缺日益严峻、环境污染持续恶化的问题。为了实现可持续发展，新能源和可再生能源的利用和发展成为世界各国研究的热点，水能、风能、氢能、核能、潮汐能、太阳能都得到了大力的发展和利用。而储能器件性能的提高，有效地促进了新能源应用的普及。在各种储能方式中，电化学储能以其能量密度高、能源转换效率好、污染小、组合和移动方便等特点，成为世界各国重要研究方向之一。

金属硫电池如锂硫电池作为高理论容量、环境友好、成本低廉的电化学储能器件引起广泛的关注。锂硫电池是一种以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量。因此锂硫电池是一种非常有前景的锂电池。类似地，其他金属硫电池如钾硫电池和钠硫电池以硫元素作为电池正极，金属钾或钠作为负极，也成为电池开发的热点。

然而，单质硫或硫基复合物作为锂硫电池等金属硫电池的正极材料，在电池使用过程中会发生正极硫溶出现象，产生多硫化锂(Li₂S_n，3≤n≤8)中间产物，该中间产物在电解液中溶解会导致电池的库仑效率和活性物质利用率低下，影响电池的循环性能的稳定。

发明内容

为了解决现有的锂硫电池等金属硫电池发生正极硫溶出现象而影响电池循环性能稳定的问题，本发明提供一种新的金属硫电池电解液及包含该电解液的金属硫电池。

因此，在第一方面，本发明提供一种金属硫电池电解液，其包含非水有机溶剂、金属盐、第一添加剂和第二添加剂，该第一添加剂为LiNO₃，该第二添加剂包括如结构式I-IV所示的化合物中的一种或者多种：

其中，R₁至R₆各自独立地选自氢、卤素、具有1至10个碳原子的烃基或具有1至10个碳原子的卤代烃基。

进一步地，该非水有机溶剂包括但不限于二乙二醇二甲醚、碳酸二甲酯、1,3-二氧戊环、碳酸亚乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、氟代碳酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯和丙酸甲酯中的一种或多种。

进一步地，该金属盐包括锂盐、钾盐或钠盐，优选为锂盐。锂盐包括但不限于LiTFSI、LiFSI、LiPF₆、LiClO₄和LiBOB中的一种或多种。

进一步地，以该金属硫电池电解液的总重量计，该第一添加剂的含量为0.1-20wt％。

进一步地，以该金属硫电池电解液的总重量计，该第二添加剂的含量为0.1-30wt％。

进一步地，该金属盐在该金属硫电池电解液中的浓度为0.1-10M。

另一方面，本发明提供了一种金属硫电池，包括正极、负极、位于正极和负极之间的隔膜以及第一方面所述的金属硫电池电解液。