[发明专利]一种提升锂硫电池性能的电解液添加剂及高性能锂硫电池

说明书

本发明公开了一种提升锂硫电池循环寿命的电解液添加剂及长寿命锂硫电池，通过在锂硫电池电解液体系中引入离子型添加剂，这类添加剂的特点在于，其可在锂硫电池的电解液体系中电离，其阳离子与溶解于电解液中的多硫化物阴离子具有较强的结合能力且空间体积较大，减缓多硫化物阴离子的迁移，而其阴离子在电解液中的迁移速率快于多硫化物阴离子，可率先抵达锂负极表面形成电中性，这样溶解的多硫化物阴离子向锂负极的迁移将受阻，从而缓解“穿梭效应”；同时添加剂阴离子还可参与形成保护性固体‑电解质界面，阻碍溶解的多硫化物与锂负极的接触以减少活性物质硫的损失；应用于锂硫电池中可极大提高电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种提升锂硫电池性能的电解液添加剂及高性能锂硫电池。

背景技术

商用锂离子电池正极材料，如钴基或镍基层状金属氧化物LiCoO₂(LCO)、LiNi_xCo_yMn_zO₂(NCM)、LiNi_xCo_yAl_zO₂(NCA)，以及橄榄石结构LiFePO₄(LFP)，比容量都不超过280mAh g^-1，能量密度小于700Wh kg^-1，并且成本较高。因此，开发新型二次电池，特别是新型正极材料是当务之急。硫是一种丰度非常高的元素，且成本低廉。当用作正极材料时，其理论比容量和能量密度分别为1675mAh g^-1和2510Wh kg^-1，是一种非常具有实际应用前景的商用正极材料替代品。

尽管锂硫电池具有上述的优点，但其仍面临着一些实际问题，如S及其放电产物(Li₂S，Li₂S₂)的导电率低、充放电循环过程中涉及的多硫化物飞梭效应会导致较严重的自放电、库仑效率低、循环寿命短、S转变为Li₂S涉及的体积膨胀大(约80％)、S正极利用率低等，而其中最亟待解决并且最引人关注的问题是多硫化物的飞梭效应。在解决多硫化物飞梭的常用方案中，改善电解液体系，如添加电解液添加剂、采用新的电解液体系等是最为简便的改进手段，其更易于实际使用而不会增加电池制造的复杂性。季铵盐、季磷盐或季砷盐类添加剂由于其阳离子与多硫阴离子的强结合作用，将有效减缓已溶解多硫化物在电解液中向负极的迁移，同时其阴离子的迁移速率高于多硫阴离子，放电过程中将率先抵达负极附近形成电中性，进一步减缓多硫化物向负极的迁移的动力学，两种作用共同实现对飞梭效应的抑制，延长锂硫电池循环寿命，提升锂硫电池的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升锂硫电池性能的电解液添加剂及高性能锂硫电池，可以实现对锂硫电池性能的提高及寿命的延长。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

提升锂硫电池性能的电解液添加剂，其特征在于：添加剂为离子型添加剂，其在电解液中可解离为阴阳离子。

可选的，所述添加剂阳离子种类为季铵阳离子、季磷阳离子、季砷阳离子中的一种。

可选的，所述季铵阳离子、季磷阳离子、季砷阳离子中的有机碳链为4个碳及以上长度的碳链，如烷基链、烯基链、炔基链、芳烃或氟代烷基链、氟代烯基链、氟代炔基链、氟代芳烃中的一种或几种。

可选的，所述碳链为正丁基、全氟正丁基、正戊基、全氟正戊基、正己基、全氟正己基、正庚基、全氟正庚基、正辛基、全氟正辛基、正壬基、全氟正壬基、正癸基、全氟正癸基、正十一烷基、全氟正十一烷基、正十二烷基、全氟正十二烷基、正十六烷基、全氟正十六烷基、苯基、氟苯基等中的一种或几种。

可选的，所述添加剂阴离子种类为氟离子、氯离子、溴离子、碘离子、氰基离子、氢氧根离子、六氟磷酸根离子、四氟硼酸根离子、双-三氟甲基磺酰亚胺离子、双-氟磺酰亚胺离子、双草酸硼酸离子、二氟草酸硼酸离子中的一种。