[发明专利]一种锂硫电池电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池电解液及其应用，属于电池材料技术领域。本发明电解液包括有机溶剂、锂盐和多功能添加剂。所述添加剂为含有醌羰基和两个可被取代的卤素官能团的有机化合物中的一种或多种。本发明通过在常规醚类锂硫电池电解液中加入上述添加剂，用于锂硫电池能够有效地抑制多硫化物的穿梭效应并加快电化学反应动力学，可以实现优异的倍率性能和循环稳定性。本发明制备工艺流程简单，拥有广阔的应用前景。

技术领域:

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种锂硫电池电解液及其应用。

背景技术:

锂硫电池使用的正极活性物质硫自然储量丰富、环境友好，且具有高的理论能量密度，可满足未来储能器件的需求。然而，锂硫电池目前面临很大的挑战：(1)硫及放电产物硫化锂是电子、离子绝缘体，导致电化学反应动力学慢；(2)充放电过程的中间产物多硫化锂(Li₂S_x，3≤x≤8)易溶于醚类电解液，在浓度梯度和电场力的作用下，在隔膜两侧发生穿梭效应，使得电池容量迅速衰减，等。目前解决电化学动力学缓慢问题的方法有：使用的方法是减小活性物质硫的尺寸、使用高导电的载体材料，并引入有催化作用的粒子或官能团来；防止穿梭效应的方法包括设计有吸附作用的正极材料和结构、修饰隔膜。然而，这样会增加成本，需要复杂的材料合成工艺或电极材料设计，不利于锂硫电池的大范围应用和推广。

最近，对硫有共价键作用力的富硫聚合物也被应用于锂硫电池的活性物质。富硫聚合物作为锂硫电池的活性物可以很好地限制硫的溶解和扩散。在富硫聚合物的非硫基团上引入可以促进锂离子迁移或催化反应的官能团，同时可以有效促进电池的反应动力学。然而，富硫聚合物通常硫含量低、制备工艺复杂、导电性不佳、分散性差，导致其制备产率低、耗时长，用于锂硫电池。相比于电极材料的设计和改性，通过锂硫电池电解液的优化来提高电池性能，是更为简单和有效的手段。因此，基于多硫化物与有机二氯分子的原位聚合反应，在锂硫电池中原位生成富硫聚合物并进行合理的设计，有望在限制硫流失的同时提升电池的反应动力学，从而提高锂硫电池的电化学性能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可原位抑制多硫化物穿梭并加速反应动力学的锂硫电池电解液，并将其应用于锂硫电池。该新型电解液中添加了有机添加剂，可以原位地和反应中间产物多硫化锂发生化学反应生成富硫聚合物，从而抑制穿梭效应，保证了电池的循环稳定性；同时可以加快正极的电化学反应动力学，提升电池的倍率性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种锂硫电池电解液，包括锂盐、有机溶剂和有机化合物添加剂，其中：锂盐浓度为0.5-2mol/L，有机化合物添加剂浓度为10-50mmol/L，有机溶剂为余量；所述有机化合物添加剂为含有醌羰基和两个可被取代的卤素官能团的有机化合物中的一种或多种。

所述锂盐为六氟磷酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂、二氟草酸硼酸锂、硝酸锂和三氟甲磺酸锂中的至少一种。

所述有机溶剂为二氧戊环、二氧六环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚和二乙二醇二乙醚中的至少一种。

所述有机化合物添加剂为2,5-二氯-1,4-苯醌(DCBQ)、2,3-二氯-1,4-苯醌和2,6-二氯-1,4-苯醌中的一种，或者，所述有机化合物添加剂为二氯二甲醚(DCME)和对苯醌(BQ)中的一种。

该电解液中还可以含有辅助添加剂，所述辅助添加剂为硝酸锂、多硫化锂、硝酸钾、硝酸铯、溴化锂中的一种或多种。所述辅助添加剂的浓度为0.1-0.5mol/L。

所述锂硫电池电解液用于制备锂硫电池。

所述锂硫电池包括正极、负极、隔膜和所述锂硫电池电解液；所述正极活性物质为单质硫、硫化锂、含硫聚合物中的一种或多种；所述负极为金属锂箔、锂片、锂合金中的任意一种。

本发明设计原理如下：