一種鋰硫電池，包括：陽極，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金；陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物；電解質，所述電解質包括四氟硼酸鹽和有機溶劑；其中，所述四氟硼酸鹽在所述電解質中以0.05M～0.5M的濃度存在，并且所述四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4與所述電活性材料中硫S的摩爾比為0.009～0.09:1的量存在。
【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】【專利摘要】一種鋰硫電池，包括：陽極，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金；陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物；電解質，所述電解質包括四氟硼酸鹽和有機溶劑；其中，所述四氟硼酸鹽在所述電解質中以0.05M～0.5M的濃度存在，并且所述四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4與所述電活性材料中硫S的摩爾比為0.009～0.09:1的量存在。【專利說明】鋰硫電池
本專利技術涉及一種鋰硫電池。本專利技術還涉及四氟硼酸鹽作為用于提高鋰硫電池循環壽命的添加劑的用途。此外，本專利技術涉及一種用于鋰硫電池的電解質。
技術介紹
典型的鋰-硫電池包括由鋰金屬或鋰金屬合金形成的陽極(負極)，和由單質硫或其他電活性硫材料形成的陰極(正極)。硫或其他含硫電活性材料可與導電材料例如碳混合，以提高其導電性。通常，將碳和硫磨碎，然后與溶劑和粘合劑混合以形成漿料。將該漿料施用于集流體，然后干燥以除去溶劑。將所得到的結構壓延以形成復合結構，將該復合結構切成所需形狀以形成陰極。將隔膜(separator)設置在陰極上并且將鋰陽極設置在該隔膜上。將電解質引入到電池中以潤濕陰極和隔膜。鋰硫電池是二次電池，并且可以通過對電池施加外部電流進行再充電。這類可再充電電池具有廣泛的潛在應用。開發鋰-硫二次電池時一個重要的考慮因素是使電池的有用循環壽命最大化。當鋰-硫電池放電時，陰極中的硫在兩階段中還原。在第一階段，硫(例如單質硫)被還原成多硫化物物質Sn2—(η > 2)。在放電的第二階段，上述多硫化物物質被還原成硫化鋰Li2S,其通常沉積在陽極的表面上。當電池充電時，兩階段機制通常以相反方向發生，硫化鋰被氧化成鋰多硫化物，之后被氧化成鋰和硫。多硫化物物質需要溶于電解質，因為這增加了放電過程中電活性材料的利用率。在多硫化物沒有溶解的情況下，電活性硫的還原可能局限于碳-硫界面處，從而導致電池容量較低。鋰硫電池的電解質通常包含電解質鹽和有機溶劑。合適的電解質鹽包括鋰鹽。實例包括六氟磷酸鋰(LiPF6)、六氟砷酸鋰(LiAsF6)、高氯酸鋰(LiClO4)、三氟甲磺酰亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2)和三氟甲磺酸鋰(CF3SO3Li)15這樣的鋰鹽在電解質中提供攜帶電荷的物質，使得氧化還原反應在電極上發生。四氟硼酸鋰(LiBF4)是在鋰離子電池中已作為電解質鹽使用的鋰鹽。然而，根據Journal of Power Sources 231(2013)153-162，四氟硼酸鋰不適合用作電解質鹽，因為它與鋰多硫化物發生如下反應:LiBF4+Li2Sn^LiBS2F2+2LiF這使得四氟硼酸鋰與多硫化物物質不相容(請見3.2.2節)。
技術實現思路
在描述本專利技術的具體實施例之前，應當理解，本公開并不限于本文公開的具體的電池、方法或材料。也應當理解，本文中使用的術語僅用于描述具體實施例，而不用于限制，因為保護范圍將由權利要求書及其等同物來限定。在描述和要求保護本專利技術的電池和方法時，將使用下列術語:除非上下文另有明確說明，單數形式“一種”、“一個”和“該”包括復數形式。因此，例如，“陽極”包括一個或多個這樣的元件。根據本專利技術的一個方面，提供一種鋰硫電池，所述鋰硫電池包括:陽極，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金；陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物；電解質，所述電解質包括四氟硼酸鹽和有機溶劑；其中，所述四氟硼酸鹽在所述電解質中以0.05M?0.5M的濃度存在，并且其中，所述四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4—與所述電活性材料中硫S的摩爾比為0.009?0.09:1的量存在。根據另一方面，本專利技術還提供四氟硼酸鹽作為用于提高鋰硫電池循環壽命的添加劑的用途。有利地，已經發現四氟硼酸鹽可被用作用于提高鋰硫電池循環壽命的添加劑。不希望受到任何理論的束縛，認為四氟硼酸根陰離子使在放電時形成的多硫化物成溶劑化物，從而提高它們在電解質中的溶解度。這增加了放電過程中電活性材料的利用率。在多硫化物沒有溶解的情況下，電活性硫的還原可能僅發生在碳-硫界面處，從而導致電池容量較低。由于硫是不導電的，硫的還原通常僅限于與導電材料或集流體接觸的硫顆粒的表面上。因此需要較小的硫顆粒，因為在顆粒中間的硫可能不容易發生還原。出人意料的是，認為四氟硼酸根陰離子阻礙了硫的團聚。通過向電池中添加四氟硼酸鹽，可以減少硫的團聚，從而降低了電池的電阻和容量衰減的趨勢。結果，電池的循環壽命可以得以增加。可以使用任何合適的四氟硼酸鹽。合適的鹽包括金屬鹽和/或銨鹽。合適的金屬鹽包括堿金屬鹽，該堿金屬鹽包括鉀鹽、鈉鹽和鋰鹽。優選使用四氟硼酸鋰。合適的銨鹽包括四烷基銨鹽。實例包括四乙基銨鹽和四甲基銨鹽。 上述四氟硼酸鹽可以在電解質中以0.05M?0.5M的濃度存在。四氟硼酸鹽的濃度應優選足以提供循環壽命的明顯改善。然而，四氟硼酸鹽的濃度應優選不要太高而產生不希望的副反應。不希望受到任何理論的束縛，認為濃度顯著高于0.5M時，四氟硼酸鹽可能與多硫化物物質以不希望的副反應進行反應。這樣的不希望的副反應的實例如下:LiBF4+Li2Sn^LiBS2F2+2LiF優選地，四氟硼酸鹽在電解質中以0.1M?0.4M，更優選0.2M?0.3M，例如，約0.3M的濃度存在。當在鋰硫電池中使用時，四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4—與電活性材料中硫S的摩爾比為0.009?0.09:1,優選0.01?0.09:1，更優選0.02?0.09:1的量存在。優選地，四氟硼酸根陰離子BF4—與電活性材料中硫S的摩爾比為0.03?0.08:1，更優選0.04?0.07:1，例如0.05?0.07:1。在一個實施方式中，四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4—與電活性材料中硫S的摩爾比為0.06:1。為避免疑義，摩爾比基于電解質中四氟硼酸根陰離子BF4—的摩爾數和電活性材料中硫(S)的摩爾數進行計算。因此，當電活性材料不僅僅是由硫組成時，該電活性材料中硫(S)的摩爾數將小于電活性材料的摩爾數。電解質可包括另外的電解質鹽(S卩，提供的除四氟硼酸鹽之外的電解質鹽)。另外的電解質鹽優選為鋰鹽(即，不是四氟硼酸鋰的鋰鹽)。合適的鋰鹽包括六氟磷酸鋰、六氟砷酸鋰、高氯酸鋰、三氟甲磺酰亞胺鋰和三氟甲磺酸鋰。優選鋰鹽是三氟甲磺酸鋰。可以使用鹽的組合。另外的電解質鹽可以在電解質中以0.1M?5M，優選0.5M?3M，例如IM的濃度存在。在一個實施方式中，另外的電解質鹽是鋰鹽，其在電解質中以該鋰鹽在電解質或電解質溶劑中的飽和濃度的50 %?100 %的濃度存在。鋰鹽可以以飽和濃度的70 %?100 %，更優選飽和濃度的80 %?100 %，例如，飽和濃度的90 %?100 %的濃度存在。通過使用另外的電解質鹽等于或接近其飽和極限的如此高濃縮的溶液，可以提高電池的循環效率和降低容量衰減的速率。四氟硼酸鹽的摩爾濃度可小于另外的電解質鹽的摩爾濃度的90%，優選小于80 %，更優選小于70 %，還更優選小于60 %，例如，小于50 %。在一個實施方式中，四氟硼酸鹽的摩爾濃度可小于另外的電解質鹽的摩爾濃度的40%，例如，小于30%。四氟硼酸鹽的摩爾濃度可大于另外的電解質鹽的摩爾濃度的1%，優選大于5%，例如，大于10%。在一個實施方式中，四氟硼酸鹽的摩爾濃度可本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種鋰硫電池，包括：陽極，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金；陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物；電解質，所述電解質包括四氟硼酸鹽和有機溶劑；其中，所述四氟硼酸鹽在所述電解質中以0.05M～0.5M的濃度存在，并且其中，所述四氟硼酸鹽以四氟硼酸根陰離子BF4?與電活性材料中硫S的摩爾比為0.009～0.09:1的量存在。
【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...
【專利技術屬性】
技術研發人員：塞巴斯蒂安·德西拉尼，
申請(專利權)人：奧克斯能源有限公司，
類型：發明
國別省市：英國;GB
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