鋰硫電池的電解液及鋰硫電池制造技術

鋰硫電池的電解液，其具有有機溶劑包括二甲氧基乙烷，二氧戊環，及二甘醇二甲醚。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及鋰硫電池電解液及包含它的鋰硫電池，更具體地，本專利技術涉及高速特性及容量特性得到提高的鋰硫電池的電解液及包含它的鋰硫電池。
技術介紹
便攜式電子設備的發展相應地導致對重量輕和容量高的二次電池的需要的增加。為了滿足這種需要，最有前途的途徑是正極由硫基化合物制成的鋰硫電池。就比能量密度而言，鋰硫電池是現有電池中最令人矚目的，因為鋰的比容量為3830mAh/g，而硫的比容量為1675mAh/g。此外，硫基化合物還較其它材料便宜并且對環境友好。鋰硫電池使用具有硫-硫鍵的硫基化合物作為正極活性物質，使用鋰金屬或碳基化合物作為負極活性物質。碳基化合物能夠可逆地嵌入或脫出金屬離子如鋰離子。放電(即電化學還原)時，硫-硫鍵斷裂，導致硫(S)的氧化數降低。充電(即電化學氧化)時，硫-硫鍵重新形成，導致S的氧化數升高。充電時，電能以化學能的方式貯存在電池中，并且在放電時轉化回電能。然而，已經認識到采用基于元素硫的正極于堿金屬-硫電池體系中是有問題的。盡管理論上將硫還原為堿金屬硫化物可以給出很大的比能量，但是，硫卻是已知的優良的絕緣體，并且已經注意到采用硫作為電極所存在的問題。這類問題包括極低的利用百分數和較低的循環壽命特性，因為硫和硫化鋰(Li2S)的溶解以及從正極的擴散。USP 6030720(POLYPLUS BATTERY COMPANY)公開了一種液體電解質溶劑包括具有通式R1(CH2CH2O)nR2的主溶劑，其中n為2～10，R1和R2為相同或不同的選自烷基，烷氧基，取代的烷基，或取代的烷氧基的基團，并且還公開了另一種液體電解質溶劑，其包含至少一種選自冠醚，穴狀配體，及供體溶劑的溶劑。一些電解質溶劑除了上述的化合物之外還包括供體或受體溶劑，具有乙氧基重復單元。供體溶劑為選自六甲基磷酸三酰胺，吡啶，N，N-二乙基乙酰胺，N，N-二乙基甲酰胺，二甲亞砜，四甲基脲，N，N-二甲基乙酰胺，N，N-二甲基甲酰胺，磷酸三丁酯，磷酸三甲酯，N，N，N’，N’-四乙基磺酰胺，四亞甲基二胺，四甲基丙二胺，或者五甲基二乙三胺中的至少一種。然而，仍然需要更高容量的鋰硫電池。
技術實現思路
一方面，本專利技術提供鋰硫電池的電解液，其可以給出具有高容量和高速特性得到改進的鋰硫電池。另一方面，本專利技術提供包含所述電解液的鋰硫電池。這些和/或其它方面可以通過含有有機溶劑和電解質鹽的鋰硫電池電解液來實現，所述有機溶劑包括二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚。為了實現這些和/或其它方面，本專利技術提供具有正極、負極和電解液的鋰硫電池，所述電解液包括有機溶劑和電解質鹽。該有機溶劑包括二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚。該正極包括選自元素硫，硫基化合物，及其混合物的正極活性物質。該負極包括能夠可逆地嵌入或脫出鋰離子的物質，即能夠與鋰離子反應生成含鋰化合物的物質，鋰金屬，及鋰合金。本專利技術的其它方面及優點將部分在隨后的說明書中闡述，部分可以從說明書中顯而易見，或者通過本專利技術的實施來了解。在有機溶劑中，二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚的體積混合比優選為10～70∶5～70∶10～70。優選的電解質鹽為雙(氟代烷基磺酰基)亞胺鋰。附圖說明結合附圖，通過下面優選實施方案的描述，本專利技術的這些和/或其它方面及優點將是顯而易見和更容易理解的，在附圖中圖1是本專利技術實施例1的鋰硫電池的透視圖；圖2是本專利技術實施例1～5和對比例4～7的電池的放電容量曲線圖；及圖3是本專利技術實施例1～5及對比例4～7的電池的中間電壓曲線圖。具體實施例方式現將詳細地引述本專利技術的優選實施方案，其實例圖示于附圖中，其中相同的附圖標記始終代表相同的要素。下面將描述實施方案，以便參照附圖說明本專利技術。本專利技術提供容量高以及高速特性得到改進的鋰硫電池。由于高容量和改進的高速特性是通過高利用率的硫實現的，所以選擇適當的溶劑特別重要。當鋰硫電池放電時，元素硫(S8)被還原生成硫化物(S-2)或多硫化物(Sn-1，Sn-2，式中n≥2)。因此，鋰硫電池使用元素硫，硫化鋰(Li2S)或多硫化鋰(Li2Sn，n＝2，4，6或8)作為正極活性物質。元素硫具有低極性，而硫化鋰或多硫化鋰具有高極性并且是離子化合物。硫化鋰以沉淀狀態存在于有機溶劑中，而多硫化鋰則以溶解狀態存在。電解液中使用的有機溶劑的選擇對于活性物質的電化學反應而言是重要的，因為用作正極活性物質的材料彼此間具有不同的物理性質。在本專利技術中，有機溶劑采用適當混合比的二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚，以提供具有高容量和高速特性得到改進的鋰硫電池。優選二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚的體積混合比為10～70％∶5～70％∶10～70％；更優選為10～65％∶5～50％∶20～70％；最優選為10～65％∶10～40％∶20～70％。二甲氧基乙烷溶解大量的多硫化物。如果二甲氧基乙烷的量小于10％體積，則所溶解的多硫化物的量下降，從而降低容量。如果二甲氧基乙烷的量大于70％體積，則所得電解液的離子導電性降低，導致中間電壓降低。二甘醇二甲醚溶解大量的多硫化物并有助于提高電池的高速特性。如果二甘醇二甲醚的量小于10％體積，則所溶解的多硫化物的量降低，從而時容量降低并使高速特性惡化。如果二甘醇二甲醚的量大于70％體積，則所得電解液的粘度有害地增加。二氧戊環的作用是在充放電期間于鋰表面產生聚合物，以保護鋰。如果二氧戊環的量小于5％體積，則難于有效地保護鋰，而如果二氧戊環的量大于70％體積，則容量降低。另外，有機溶劑包括至少一種弱極性溶劑如二甲苯，四氫呋喃，2-甲基四氫呋喃，2，5-二甲基四氫呋喃，碳酸二乙酯，碳酸二甲酯，甲苯，二甲醚，二乙醚或四甘醇二甲醚；至少一種強極性溶劑如六甲基磷酸三酰胺，γ-丁內酯，乙腈，碳酸亞乙酯，碳酸亞丙酯，N-甲基吡咯烷酮，3-甲基-2-噁唑烷酮，二甲基甲酰胺，環丁砜(sulforane)，二甲基乙酰胺，二甲亞砜，硫酸二甲酯，乙二醇二乙酸酯，二甲基硫醚或乙二醇硫化物；及至少一種鋰保護溶劑如四氫呋喃，環氧乙烷，3，5-二甲基異噁唑(isoxasole)，2，5-二甲基呋喃，呋喃，二氧己環，4-甲基二氧戊環。電解質鹽包括具有鋰陽離子的鹽(下文中稱之為“鋰陽離子鹽”)，具有有機陽離子的鹽(下文中稱之為“有機陽離子鹽”)，或者它們的混合物。鹽的含量優選為3～30％重量。如果使用鋰陽離子鹽與有機陽離子鹽的混合物，則可以適當地控制混合比。盡管可以使用其它的鹽，但是鋰陽離子鹽的實例可以是雙(氟代烷基磺酰基)亞胺鋰，三氟甲磺酸鋰，及LiPF6。雙(氟代烷基磺酰基)亞胺鋰可以是雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2)，雙(全氟乙基磺酰基)亞胺鋰(LiN(C2F5SO2)2)，及其混合物。最優選的是雙(氟代烷基磺酰基)亞胺鋰如雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鋰(LiN(CF3SO2)2)，雙(全氟乙基磺酰基)亞胺鋰(LiN(C2F5SO2)2)，及其混合物。有機陽離子鹽是具有有機陽離子而非鋰陽離子的鹽。有機陽離子鹽具有較低的蒸氣壓和較高的閃點，所以是不可燃的，同時提高電池的穩定性。有機陽離子鹽缺乏腐蝕性并且可以加工成薄膜狀，其在機械性能方面是穩定的。根據本專利技術的實施方案，鹽可以在很寬的溫度范圍以液態的形式存在，特別是在工作溫度范圍，所以該鹽本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋰硫電池電解液，包括：有機溶劑，其包括二甲氧基乙烷，二氧戊環和二甘醇二甲醚；及電解質鹽。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：鄭鏞洲，金奭，金珍滴，
申請(專利權)人：三星SDI株式會社，
類型：發明
國別省市：KR[韓國]