CN110416612A - 一种二次锂硫电池的新型电解液及电池 - Google Patents

一种二次锂硫电池的新型电解液及电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二次锂硫电池的新型电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.5％～15％，其包括单腈类、二腈类、不饱和腈类和环状腈类中的一种或两种的组合。本发明中还公开使用上述电解液的电池。本发明提供的电解液中的添加剂采用腈类物质，因为腈类物质含有C≡N三键，可以与正极活性材料络合反应，形成保护膜，阻碍多硫化合物的溶解和穿梭，因而提高循环寿命，得到商品化的应用。

Description

一种二次锂硫电池的新型电解液及电池
技术领域
本发明涉及电解液，尤其涉及一种二次锂硫电池的新型电解液。本发明使用该电解液的电池。
背景技术
在已知的电池负极材料中，金属锂的电位最负、比容量较大。在已知的正极材料中，单质硫的电位适中、比容量也较大。当单位质量的单质硫完全转变为S2-时所产生的理论比容量高达1675mAh/g。锂硫电池是将金属锂和单质硫组成电池，其理论比能量可以达到2600Wh/kg，是目前商品化锂离子电池理论比能量的3-5倍。做成电芯产品后，锂硫电池的实际能量密度依然可以达到300-900Wh/kg的较高水平，而商品化锂离子动力电池的能量密度仅为100-200Wh/kg。即使将锂离子电池的负极换成金属锂，其能量密度依然大幅低于锂硫电池。并且硫具有对环境污染小、在自然界储量大、成本低等优点，因此，锂硫电池具有很大的技术吸引力，是当前储能领域的重要研究方向。
典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极，它的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。但是，目前的锂硫电池循环寿命和倍率性能很差，不能满足商品化的需求，主要原因是正极的多硫化锂的穿梭效应和负极的锂枝晶副反应。
发明内容
本发明目的之一旨在提供一种二次锂硫电池的新型电解液。
本发明目的之二旨在提供一种使用上述电解液的锂电池。
为了实现目的之一，本发明提供以下技术方案：一种二次锂硫电池的新型电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.5％～15％，其包括单腈类、二腈类、不饱和腈类和环状腈类中的一种或两种的组合。
所述单腈包括但不限于脂肪腈和芳香腈中的一种或组合。所述脂肪腈包括但不限于乙腈、丁腈等；所述芳香腈包括但不限于苯甲腈等。所述二腈类包括但不限于丁二腈、己二腈等。所述不饱和腈包括但不限于丙烯腈等。所述环状腈包括但不限于吡咯等。
所述溶剂包括但不限于醚类，如二甲醚(DME)、4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)等。作为本发明的一个实施例，所述溶剂为二甲醚(DME)和4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)组成，二者在电解液中的质量分数分别为10％～90％。
所述锂盐的成分为六氟磷酸锂(LiPF6)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)和二草酸硼酸锂(LIBOB)中的一种或几种的组合。不同的化合物在电解液中的质量分数不同。其中，六氟磷酸锂(LiPF6)10％～16％、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)0.2％～5％、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)0.2％～5％、硝酸锂(LiNO3)0.2％～5％和二草酸硼酸锂(LIBOB)0.2％～5％，以上各组分含量均为其各自在电解液中的质量分数。
本发明的目的之二通过以下技术方案来实现：一种锂电池，具体为锂硫电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.5％～15％，其包括单腈类、二腈类、不饱和腈类和环状腈类中的一种或两种的组合。
所述单腈包括但不限于脂肪腈和芳香腈中的一种或组合。所述脂肪腈包括但不限于乙腈、丁腈等；所述芳香腈包括但不限于苯甲腈等。所述二腈类包括但不限于丁二腈、己二腈等。所述不饱和腈包括但不限于丙烯腈等。所述环状腈包括但不限于吡咯等。
所述溶剂包括但不限于醚类，如二甲醚(DME)、4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)等。作为本发明的一个实施例，所述溶剂为二甲醚(DME)和4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)组成，二者在电解液中的质量分数分别为10％～90％。
所述锂盐的成分为六氟磷酸锂(LiPF6)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)和二草酸硼酸锂(LIBOB)中的一种或几种的组合。不同的化合物在电解液中的质量分数不同。其中，六氟磷酸锂(LiPF6)10％～16％、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)0.2％～5％、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)0.2％～5％、硝酸锂(LiNO3)0.2％～5％和二草酸硼酸锂(LIBOB)0.2％～5％，以上各组分含量均为其各自在电解液中的质量分数。
所述正极为正极由硫粉、导电剂、粘接剂组成。所述负极为锂金属。所述隔膜为聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)。
所述电池还包括外包装，采用铝塑膜、金属或塑料。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的电解液中的添加剂采用腈类物质，因为腈类物质含有C≡N三键，可以与正极活性物质络合反应，形成保护膜，阻碍多硫化合物的溶解和穿梭，因而提高循环寿命，得到商品化的应用。
2.本发明提供的电解液可用于二次锂硫电池，同样可以提高二次锂硫电池的循环寿命，得到商品化的应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的权利要求做进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制，任何在本发明权利要求保护范围内所做的有限次修改，仍在本发明的权利要求保护范围内。
本发明实施方式中，溶剂包括但不限于醚类，如二甲醚(DME)、4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)等。作为本发明的一个实施例，所述溶剂为二甲醚(DME)和4-甲基-1,3-二氧环戊烷(DOL)组成，二者在电解液中的质量分数分别为10％～90％。锂盐的成分为六氟磷酸锂(LiPF6)、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)、硝酸锂(LiNO3)、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)和二草酸硼酸锂(LIBOB)中的一种或几种的组合。不同的化合物在电解液中的质量分数不同。其中，六氟磷酸锂(LiPF6)10％～16％、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂(LiTFSi)0.2％～5％、双(氟磺酰)亚胺锂(LIFSI)0.2％～5％、硝酸锂(LiNO3)0.2％～5％和二草酸硼酸锂(LIBOB)0.2％～5％，以上各组分含量均为其各自在电解液中的质量分数。
实施例一
锂电池由正极、负极、隔膜、电解液和外包装构成。外包装为铝塑膜。
其中，正极由由硫粉、导电剂及粘接剂构成。导电剂为SUPER-P，含量在3％，粘接剂为PVDF，含量在3.5％，其余为硫粉。
负极为锂金属，隔膜为PE，容量为350mAh电解液由溶剂、锂盐和添加剂组成。溶剂、添加剂和锂盐的质量分数如下：
溶剂：DME/DOL＝40％/40％(WT)
添加剂：乙腈3％
锂盐：LiPF6 13％、LiTFSi 1％和LINO3 3％
所得锂硫电池经0.2C循环，充放电200次，容量保持80％。
实施例二
与实施例一不同的是：
溶剂：DME/DOL＝40％/40％(WT)
添加剂：己二腈3％
锂盐：LiPF6 13％、LiTFSi 1％和LINO3 3％
所得锂硫电池经0.3C循环，充放电250次，容量保持80％。
实施例三
与实施例一不同的是：
溶剂：DME/DOL＝40％/40％(WT)
添加剂：丙烯腈3％
锂盐：LiPF6 13％、LiTFSi 1％和LINO3 3％。
所得锂电池经0.5C循环，充放电300次，容量保持80％。
实施例四
与实施例一不同的是：
溶剂：DME/DOL＝40％/40％(WT)
添加剂：吡咯3％
锂盐：LiPF6 13％、LiTFSi 1％和LiNO3 3％。
所得锂电池经0.8C循环，充放电350次，容量保持80％。
实施例五
与实施例一不同的是：
溶剂：DME/DOL＝35％/35％(WT)
添加剂：吡咯15％
锂盐：LiPF6 11％、LiTFSi 1％和LiNO3 3％。
所得锂电池经0.8C循环，充放电350次，容量保持85％。

Claims (10)

1.一种二次锂硫电池的新型电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，其特征是，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.5％～15％，包括单腈类、二腈类、不饱和腈类和环状腈类中的一种或两种的组合。
2.根据权利要求1所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述单腈包括但不限于脂肪腈和芳香腈中的一种或组合；所述二腈类包括但不限于丁二腈或己二腈；所述不饱和腈包括但不限于丙烯腈；所述环状腈包括但不限于吡咯。
3.根据权利要求2所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述脂肪腈包括但不限于乙腈和丁腈中的一种或两种；所述芳香腈包括但不限于苯甲腈。
4.根据权利要求1所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述溶剂包括但不限于醚类。
5.根据权利要求4所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述溶剂由二甲醚和4-甲基-1,3-二氧环戊烷组成，二者在电解液中的质量分数分别为10％～90％。
6.根据权利要求1所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述锂盐的成分为六氟磷酸锂、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂、硝酸锂、双(氟磺酰)亚胺锂和二草酸硼酸锂中的一种。
7.根据权利要求6所述二次锂硫电池的新型电解液，其特征是，所述锂盐为以下质量分数的化合物：六氟磷酸锂10％～16％、双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂0.2％～5％、双(氟磺酰)亚胺锂0.2％～5％、硝酸锂0.2％～5％或二草酸硼酸锂0.2％～5％。
8.一种锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，包括溶剂、锂盐和添加剂，其特征是，所述添加剂在电解液中的质量分数为0.5％～15％，其包括单腈类、二腈类、不饱和腈类和环状腈类中的一种或两种的组合。
9.根据权利要求8所述锂电池，其特征是，所述单腈包括但不限于脂肪腈和芳香腈中的一种或组合；所述二腈类包括但不限于丁二腈或己二腈；所述不饱和腈包括但不限于丙烯腈；所述环状腈包括但不限于吡咯。
10.根据权利要求8或9所述锂电池，其特征是，所述正极为正极由硫粉、导电剂、粘接剂组成；所述负极为锂金属；所述隔膜为聚丙烯或聚乙烯。
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