[发明专利]一种锂硫电池用聚离子液体电解质及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂硫电池用聚离子液体电解质、制备方法及应用。所述聚离子液体电解质由聚离子液体前驱体溶液在电池中通过原位聚合制备得到。所述聚离子液体前驱体溶液由吡咯烷离子液体、热引发剂、聚离子液体前驱体单体和锂盐组成。本发明中吡咯烷离子液体和由聚离子液体前驱体单体热聚合得到的聚离子液体两种特定结构同时发挥作用，使得聚离子液体电解质在确保优异的离子电导率的同时，能够与锂金属负极形成稳定的固态电解质界面层，从而显著提高锂硫电池的性能，尤其是较高温度下的循环稳定性。另外，聚离子液体电解质具有阻燃特性，克服了传统碳酸酯电解液易燃的缺陷，提升了锂硫电池的安全性。

技术领域

本发明属于凝胶电解质领域，具体地，涉及一种锂硫电池用聚离子液体电解质及其制备方法和应用。

背景技术

随着消费电子、动力电池以及储能场景的大量应用，人们对高能量密度锂离子电池的需求日益提升。锂金属负极具有高的理论容量(3860mAh g^-1)、低的工作电压(-3.045V)，被视为锂离子电池负极的理想材料。然而，锂金属由于过于活泼存在着与电解液持续反应、锂枝晶生长及安全性等问题。目前应用于锂硫电池的电解液主要为碳酸酯类(EC/DMC/FEC)和醚类(DOL/DME)电解液，均存在易燃易爆等危险。适用于锂硫电池的固态硫化物电解质的室温离子电导率虽然可达到毫西门子每厘米的量级，但其与电极间的固-固接触较差，电池组装工艺较复杂且需要在高外加压力情况下运行，同时需要严格无水无氧，制备条件苛刻。而凝胶电解质作为准固态电池体系，可以兼具良好的界面接触与高离子电导率，具有较大应用前景。

本发明中，聚离子液体电解质与锂金属负极和硫正极均具有好的稳定性，与传统碳酸酯电解液相比，由该聚离子液体电解质组装的锂硫电池在高温(50～100℃)工作时不仅具有高的比容量，还具有很好的循环稳定性。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明中，使用由聚离子液体、锂盐和吡咯烷离子液体组成的聚离子液体电解质，该聚离子液体电解质具有较高的化学稳定性，能与锂金属负极形成稳定的固态电解质界面层，阻止锂金属负极与吡咯烷离子液体的进一步消耗，有望提升锂硫电池高温下的循环稳定性；由于多硫化物不能溶解在吡咯烷离子液体中，因而使用聚离子液体电解质可以有效抑制多硫化物的穿梭效应；于此同时，该聚离子液体电解质具有阻燃特性，能有效提升锂硫电池的安全性。

本发明的目的是提供一种锂硫电池用聚离子液体电解质、制备方法以及高温锂硫电池的应用。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种锂硫电池用聚离子液体电解质，所述锂硫电池用聚离子液体电解质是将聚离子液体前驱体溶液加热后，通过原位聚合得到的；所述聚离子液体前驱体溶液包括吡咯烷离子液体、热引发剂、聚离子液体前驱体单体与锂盐。

作为本发明的一个实施方案，所述聚离子液体前驱体单体的结构式如下：

其中，X为双三氟甲基磺酰亚胺阴离子、双氟甲基磺酰亚胺阴离子中的一种。

作为本发明的一个实施方案，所述的热引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰中的一种。

作为本发明的一个实施方案，所述吡咯烷离子液体结构式：

其中，m为1～2的整数，X为双三氟甲基磺酰亚胺阴离子、双氟甲基磺酰亚胺阴离子中的一种。本发明选择的吡咯烷离子液体可以抑制多硫化物的穿梭，与碳酸酯电解液和醚类电解液等商用锂硫电解液相比，具有阻燃特性，赋予锂硫电池高安全性。

作为本发明的一个实施方案，所述锂盐为二氟草酸硼酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氟甲基磺酰亚胺锂中的一种或多种。锂盐的浓度为1～4毫摩尔/克。本发明将锂盐溶解在吡咯烷离子液体中，将其掺杂在聚离子液体电解质里作为载流子传导离子用。