[发明专利]一种锂硫电池的改性环氧乙烷基全固态电解质及制备方法

说明书

本发明提出一种锂硫电池的改性环氧乙烷基全固态电解质及制备方法，通过将环氧乙烷与烯丙基缩水甘油醚共聚后与锂盐络合，最后使用具有三维结构多孔骨架的无机填料进行吸附，制备得到改性环氧乙烷基全固态电解质材料。本发明提供上述方法克服了现有锂硫电池固态电解质载流子迁移率低的问题，通过烯丙基缩水甘油醚对非饱和环氧乙烷进行改性，降低环氧乙烷与锂盐络合物的结晶度，使电解质在工作过程中在更低的温度下转变为玻璃态，提高电解质中锂离子的传输性能，进而提高锂硫电池的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池的改性环氧乙烷基全固态电解质及制备方法。

背景技术

碱性锌锰电池、镍镉电池及铅酸电池等传统电池普遍具有体积和重量较大、对环境污染严重等缺点；而当前市场较主流的锂离子电池技术又由于受电极材料理论储锂容量限制，仅通过对过渡金属氧化物基正极材料和碳类负极材料进行改性已无法显著提高其比容量和比能量。锂硫电池具有较高的理论比容量（672 m Ah/g）和低成本的优势，在下一代新能源电池中具有十分优异的竞争力。

典型的锂硫电池正极材料由单质硫、导电剂（炭材料或金属粉末）和粘结剂组成，负极为金属锂，正负极之间采用有机电解液隔离。室温下热力学稳定性最佳的单质硫是由八个硫原子相连组成的冠状结构（S₈）相互结合形成的晶态单质硫。单质硫的高容量和可充放电性能来源于S₈分子中 S-S 键的电化学断裂和重新键合。锂硫电池放电机理被视为经历了两个阶段电化学还原过程。第一个放电阶段（2.4~2.1 V）主要代表被还原的聚硫离子在液相（有机电解液溶剂）和导电相（炭黑）界面之间发生的电化学还原反应。第二个放电阶段（~2.1 V）主要代表不溶产物Li2S2 的形成和固相产物（Li₂S₂/Li₂S）之间的转化。在锂硫电池整个放电过程中都伴随有低氧化态聚硫离子与高氧化态聚硫离子在有机电解液溶剂中反应生成中间氧化态聚硫离子。

尽管与传统锂离子电池相比，锂硫电池具有上述优点，但其缺点也相当明显，正极材料在充放电过程中产生可溶性的多硫化物，同时向负极穿梭，在锂负极表面发生反应生成低价硫化物并沉积在锂负极表面，导致锂负极的腐蚀，同时也造成硫活性物质的损失，降低了电池的比容量和循环稳定性。目前针对锂硫电池改进主要包括对正极结构上的改良和电解质的优化。正极材料的改进主要通过不溶性基底材料进复合，将正极的硫固定在正极材料内部，然而其制备工序较复杂，引起制造成本上升，且难以有效解决多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭。

全固态电解质不含液体溶剂，可以抑制单质硫和聚硫离子向金属锂负极的扩散，进而降低因其与金属锂负极反应导致的锂硫电池容量损失。全固态聚合物电解质由聚合物和盐构成，是盐与聚合物之间通过配位作用形成的一类复合物。通过固态电解质替代传统液态电解质，可以解决正极多硫化物的溶解和穿梭、锂枝晶生长和安全性问题，但固态电解质室温电导率低（10^-8~10^-4S/m）难以达到实际应用要求（10^-4~10^-3S/m），电解质与电极结合性能差，导致固态电解质的应用受到限制。专利CN103985910A提出了一种锂硫电池固态电解质的制造方法，通过聚丙烯腈与硅藻土在锂盐中浸渍蒸发制备固态电解质，但其对于载流子迁移率的提高有限；专利CN103972580A提出了一种锂硫电池，其固态电解质由聚环氧乙烷和锂盐及惰性填料组成，但由于其电导率较低，对于电池的倍率性能影响较大。因此，针对锂硫电池固态电解质电导率的改进具有十分重要的实际意义。

发明内容

针对现有锂硫电池固态电解质载流子迁移率低的问题，本发明提出一种锂硫电池的改性环氧乙烷基全固态电解质及制备方法，通过将环氧乙烷与烯丙基缩水甘油醚共聚后与锂盐络合，使用无机填料骨架进行吸附，电解质在工作过程中在更低的温度下转变为玻璃态，进而提高电解质中锂离子的迁移率。