[发明专利]锂硫二次电池用电解液以及包含该电解液的锂硫二次电池

说明书

本发明涉及一种包含锂盐、非水溶剂和环状酸酐化合物的锂硫二次电池用电解液，以及含有所述电解液的锂硫二次电池。

技术领域

本申请要求基于2021年4月19日提交的韩国专利申请第10-2021-0050433号的优先权权益，通过引用将该韩国专利申请的全部内容并入本文中。

本发明涉及一种锂硫二次电池用电解液和含有该电解液的锂硫二次电池。

背景技术

随着二次电池的应用领域向电动车辆(EV)和储能装置(ESS)扩展，重量比储能密度相对低(～250Wh/kg)的锂离子二次电池在应用于此类产品时面临局限。作为替代选择，由于锂硫二次电池能够实现理论上高的重量比储能密度(～2,600Wh/kg)，它作为下一代二次电池技术受到关注。

锂硫二次电池是指使用具有硫-硫键(S-S键)的硫类材料作为正极活性材料并使用锂金属作为负极活性材料的电池系统。硫作为正极活性材料的主要材料具有资源非常丰富、无毒和原子量低的优点。

在锂硫二次电池中，在电池放电时，作为负极活性材料的锂在释放电子的同时被氧化从而离子化，而作为正极活性材料的硫类材料在接受电子的同时被还原。在这种情况下，锂的氧化反应是锂金属释放电子并转化为锂阳离子形式的过程。此外，硫的还原反应是S-S键接受两个电子并转化为硫阴离子形式的过程。由锂的氧化反应产生的锂阳离子通过电解质转移到正极(positive electrode)，并与由硫的还原反应生成的硫阴离子结合形成盐。具体而言，放电前的硫具有环状S₈结构，通过还原反应转化为多硫化锂(LiS_x)。当多硫化锂被完全还原时，产生硫化锂(Li₂S)。

作为正极活性材料的硫在固态时由于其低电导率特性而难以确保与电子和锂离子的反应性。在现有的锂硫二次电池中，为了改善硫的反应性，生成Li₂S_x形式的中间体多硫化物来诱导液相反应和改善反应性。在这种情况下，对多硫化锂的溶解性高的醚类溶剂如二氧戊环和二甲氧基乙烷被用作电解液用溶剂。

然而，如果使用这样的醚类溶剂，存在锂硫二次电池的寿命特性由于各种原因而劣化的问题。例如，因多硫化锂从正极的溶出、由于锂负极上枝晶生长而发生的短路、以及由于电解液分解导致的副产物沉积等，可能使锂硫二次电池的寿命特性劣化。

特别是，如果使用这样的醚类溶剂，因为它能够溶解大量的多硫化锂而具有高反应性，但由于溶解于电解液中的多硫化锂的特性，硫的反应性和寿命特性受到电解液含量的影响。

近来，为了开发飞行器和下一代电动车辆所需的具有500Wh/kg以上的高能量密度的锂硫二次电池，要求电极中硫的负载量大并且最小化电解液的含量。

然而，由于醚类溶剂的特性，随着电解液含量减少，充电/放电期间的粘度迅速增加，从而存在可能产生过电压且电池可能劣化的问题。

因此，为了防止电解液分解并确保优异的寿命特性，不断地在进行关于加入添加剂的研究。然而，能够防止电解液分解并改善寿命特性的电解液的组分和组成尚未被明确阐明。特别是，关于适合于电解液含量极少的袋型电池的情况的电解液的组分和组成，尚知之不详。

[现有技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国公开专利公布第10-2007-0027512号(2007年3月9日)，“锂硫电化学电池用电解质”

发明内容

技术问题

因此，在本发明中确认了，通过将环状酸酐化合物作为添加剂引入到含有锂盐和非水溶剂的锂硫二次电池用电解液中以防止所述锂硫二次电池用电解液分解并改善寿命特性，能够解决上述问题并由此能够改善锂硫二次电池的性能，从而完成了本发明。