[发明专利]一种含功能性添加剂的锂硫电池电解液及其应用

说明书

本发明涉及一种含功能性添加剂的锂硫电池电解液及其应用，包括锂盐、溶剂和添加剂，所述添加剂为有机硫化物R1‑S_i‑R2或/和无机硫化物M_xS_y；以所述电解液的总体积为基准，所述添加剂的总摩尔浓度为0.001～20 mol/L。本发明使用含S化合物作为锂硫电池电解液的功能性添加剂，直接与活性物质反应，有效抑制电解液中多硫离子的穿梭，提高电池的容量稳定性，改善电池长循环性能，方法简单易行。

技术领域

本发明属于锂硫电池领域，本发明具体涉及含S化合物作为锂硫电池电解液功能性添加剂的应用。

背景技术

随着经济发展和科技进步，环境污染和能源问题已经成为目前全球关注的焦点。当下化石燃料的过度消耗以及随之增长的能源需求，使得清洁能源的开发和利用变得极为迫切。因此，对高能量密度电化学储能及转换装置的研究具有实际意义。

传统锂二次电池由于插层正极材料的自身缺陷，限制了电池的容量和能量密度。不同于插脱嵌机理的转化反应电池，为电池的高容量和能量密度提供了更多可能，如锂硫电池，硫正极的理论比容量和能量密度分别高达1675mAh/g和2600Wh/KG，且硫价格低廉、资源丰富、环保无污染，是新一代锂二次电池的重点研究对象。

锂硫电池虽然具有很多优点，但经过数十年发展，目前仍未达到商业化水平。锂硫电池在充放电过程中，单质硫会转化为高活性的多硫化锂，溶解在电解液中，在正极与负极之间迁移，不但降低活性物质的利用率，还与电极发生反应，腐蚀金属锂，沉积的不导电性产物破坏电极结构，严重影响电池的库伦效率和容量稳定性。目前对锂硫电池的研究进展主要集中在正极部分，通过微结构的设计和化学键合的吸附，可以有效抑制多硫化锂的穿梭反应。但这样一方面造成硫载量不高，另一方面还需要复杂的电极材料设计，不利于锂硫电池的应用推广。在电解液中引入添加剂是一种简单、经济的方式来实现电池性能的大幅提升。Mikhaylik发明的专利中通过在电解液里加入含N-O类添加剂，可以有效缓解多硫离子的穿梭效应，保护金属锂负极，提高电池库伦效率(Y.V.Mikhaylik,US Patent,US20080187840)。但是，电池的容量稳定性和循环性能并不好，且电池的工作条件受限于添加剂的分解电压。LiFSI引入电解液中能够在电极表面成膜抑制副反应对电极的腐蚀，从而提高电池性能(H.Kim,etl.Adv.Energy Mater,2015,5.)。然而电池的性能数据是在60℃测试所得，且锂盐的浓度远高于正常范围。其他添加剂如P₂S₅(Z.Lin,etl.Adv.Funct.Mater.,2013,23,1064-1069.)、氟醚(N.Azimi,etl.ACS applied materials&interfaces,2015.)等可以一定程度抑制穿梭效应，但是电池的长循环稳定性能仍然不佳。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种既能抑制穿梭效应、提高库伦效率的同时，又能提高电池的容量稳定性和循环性能的新的锂硫电池电解液。

一方面，本发明提供了一种含功能性添加剂的锂硫电池电解液，包括锂盐、溶剂和添加剂，所述添加剂为为有机硫化物R1-S_i-R2或/和无机硫化物M_xS_y；

所述有机硫化物R1-S_i-R2中R1为碳原子数1～10的烷基、碳原子数3～10的环烷基和碳原子数6～20的芳烷基中的至少一种，i值范围为3～10，R2为碳原子数1～10的烷基、碳原子数3～10的环烷基和碳原子数6～20的芳烷基中的至少一种；

所述无机硫化物M_xS_y中M为C、Fe、Cu、Ni、Co和Mo中的至少一种，其中1≤x≤8，1≤y≤8；

以所述电解液的总体积为基准，所述添加剂的总摩尔浓度为0.001～20mol/L。