一种锂硫电池，包括：阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；电解质，所述电解质包括四氟硼酸盐和有机溶剂；其中，所述四氟硼酸盐在所述电解质中以0.05M～0.5M的浓度存在，并且所述四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4与所述电活性材料中硫S的摩尔比为0.009～0.09:1的量存在。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】一种锂硫电池，包括：阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；电解质，所述电解质包括四氟硼酸盐和有机溶剂；其中，所述四氟硼酸盐在所述电解质中以0.05M～0.5M的浓度存在，并且所述四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4与所述电活性材料中硫S的摩尔比为0.009～0.09:1的量存在。【专利说明】锂硫电池
本专利技术涉及一种锂硫电池。本专利技术还涉及四氟硼酸盐作为用于提高锂硫电池循环寿命的添加剂的用途。此外，本专利技术涉及一种用于锂硫电池的电解质。
技术介绍
典型的锂-硫电池包括由锂金属或锂金属合金形成的阳极(负极)，和由单质硫或其他电活性硫材料形成的阴极(正极)。硫或其他含硫电活性材料可与导电材料例如碳混合，以提高其导电性。通常，将碳和硫磨碎，然后与溶剂和粘合剂混合以形成浆料。将该浆料施用于集流体，然后干燥以除去溶剂。将所得到的结构压延以形成复合结构，将该复合结构切成所需形状以形成阴极。将隔膜(separator)设置在阴极上并且将锂阳极设置在该隔膜上。将电解质引入到电池中以润湿阴极和隔膜。锂硫电池是二次电池，并且可以通过对电池施加外部电流进行再充电。这类可再充电电池具有广泛的潜在应用。开发锂-硫二次电池时一个重要的考虑因素是使电池的有用循环寿命最大化。当锂-硫电池放电时，阴极中的硫在两阶段中还原。在第一阶段，硫(例如单质硫)被还原成多硫化物物质Sn2—(η > 2)。在放电的第二阶段，上述多硫化物物质被还原成硫化锂Li2S,其通常沉积在阳极的表面上。当电池充电时，两阶段机制通常以相反方向发生，硫化锂被氧化成锂多硫化物，之后被氧化成锂和硫。多硫化物物质需要溶于电解质，因为这增加了放电过程中电活性材料的利用率。在多硫化物没有溶解的情况下，电活性硫的还原可能局限于碳-硫界面处，从而导致电池容量较低。锂硫电池的电解质通常包含电解质盐和有机溶剂。合适的电解质盐包括锂盐。实例包括六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、三氟甲磺酰亚胺锂(LiN(CF3SO2)2)和三氟甲磺酸锂(CF3SO3Li)15这样的锂盐在电解质中提供携带电荷的物质，使得氧化还原反应在电极上发生。四氟硼酸锂(LiBF4)是在锂离子电池中已作为电解质盐使用的锂盐。然而，根据Journal of Power Sources 231(2013)153-162，四氟硼酸锂不适合用作电解质盐，因为它与锂多硫化物发生如下反应:LiBF4+Li2Sn^LiBS2F2+2LiF这使得四氟硼酸锂与多硫化物物质不相容(请见3.2.2节)。
技术实现思路
在描述本专利技术的具体实施例之前，应当理解，本公开并不限于本文公开的具体的电池、方法或材料。也应当理解，本文中使用的术语仅用于描述具体实施例，而不用于限制，因为保护范围将由权利要求书及其等同物来限定。在描述和要求保护本专利技术的电池和方法时，将使用下列术语:除非上下文另有明确说明，单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数形式。因此，例如，“阳极”包括一个或多个这样的元件。根据本专利技术的一个方面，提供一种锂硫电池，所述锂硫电池包括:阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；电解质，所述电解质包括四氟硼酸盐和有机溶剂；其中，所述四氟硼酸盐在所述电解质中以0.05M?0.5M的浓度存在，并且其中，所述四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4—与所述电活性材料中硫S的摩尔比为0.009?0.09:1的量存在。根据另一方面，本专利技术还提供四氟硼酸盐作为用于提高锂硫电池循环寿命的添加剂的用途。有利地，已经发现四氟硼酸盐可被用作用于提高锂硫电池循环寿命的添加剂。不希望受到任何理论的束缚，认为四氟硼酸根阴离子使在放电时形成的多硫化物成溶剂化物，从而提高它们在电解质中的溶解度。这增加了放电过程中电活性材料的利用率。在多硫化物没有溶解的情况下，电活性硫的还原可能仅发生在碳-硫界面处，从而导致电池容量较低。由于硫是不导电的，硫的还原通常仅限于与导电材料或集流体接触的硫颗粒的表面上。因此需要较小的硫颗粒，因为在颗粒中间的硫可能不容易发生还原。出人意料的是，认为四氟硼酸根阴离子阻碍了硫的团聚。通过向电池中添加四氟硼酸盐，可以减少硫的团聚，从而降低了电池的电阻和容量衰减的趋势。结果，电池的循环寿命可以得以增加。可以使用任何合适的四氟硼酸盐。合适的盐包括金属盐和/或铵盐。合适的金属盐包括碱金属盐，该碱金属盐包括钾盐、钠盐和锂盐。优选使用四氟硼酸锂。合适的铵盐包括四烷基铵盐。实例包括四乙基铵盐和四甲基铵盐。 上述四氟硼酸盐可以在电解质中以0.05M?0.5M的浓度存在。四氟硼酸盐的浓度应优选足以提供循环寿命的明显改善。然而，四氟硼酸盐的浓度应优选不要太高而产生不希望的副反应。不希望受到任何理论的束缚，认为浓度显著高于0.5M时，四氟硼酸盐可能与多硫化物物质以不希望的副反应进行反应。这样的不希望的副反应的实例如下:LiBF4+Li2Sn^LiBS2F2+2LiF优选地，四氟硼酸盐在电解质中以0.1M?0.4M，更优选0.2M?0.3M，例如，约0.3M的浓度存在。当在锂硫电池中使用时，四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4—与电活性材料中硫S的摩尔比为0.009?0.09:1,优选0.01?0.09:1，更优选0.02?0.09:1的量存在。优选地，四氟硼酸根阴离子BF4—与电活性材料中硫S的摩尔比为0.03?0.08:1，更优选0.04?0.07:1，例如0.05?0.07:1。在一个实施方式中，四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4—与电活性材料中硫S的摩尔比为0.06:1。为避免疑义，摩尔比基于电解质中四氟硼酸根阴离子BF4—的摩尔数和电活性材料中硫(S)的摩尔数进行计算。因此，当电活性材料不仅仅是由硫组成时，该电活性材料中硫(S)的摩尔数将小于电活性材料的摩尔数。电解质可包括另外的电解质盐(S卩，提供的除四氟硼酸盐之外的电解质盐)。另外的电解质盐优选为锂盐(即，不是四氟硼酸锂的锂盐)。合适的锂盐包括六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、三氟甲磺酰亚胺锂和三氟甲磺酸锂。优选锂盐是三氟甲磺酸锂。可以使用盐的组合。另外的电解质盐可以在电解质中以0.1M?5M，优选0.5M?3M，例如IM的浓度存在。在一个实施方式中，另外的电解质盐是锂盐，其在电解质中以该锂盐在电解质或电解质溶剂中的饱和浓度的50 %?100 %的浓度存在。锂盐可以以饱和浓度的70 %?100 %，更优选饱和浓度的80 %?100 %，例如，饱和浓度的90 %?100 %的浓度存在。通过使用另外的电解质盐等于或接近其饱和极限的如此高浓缩的溶液，可以提高电池的循环效率和降低容量衰减的速率。四氟硼酸盐的摩尔浓度可小于另外的电解质盐的摩尔浓度的90%，优选小于80 %，更优选小于70 %，还更优选小于60 %，例如，小于50 %。在一个实施方式中，四氟硼酸盐的摩尔浓度可小于另外的电解质盐的摩尔浓度的40%，例如，小于30%。四氟硼酸盐的摩尔浓度可大于另外的电解质盐的摩尔浓度的1%，优选大于5%，例如，大于10%。在一个实施方式中，四氟硼酸盐的摩尔浓度可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂硫电池，包括：阳极，所述阳极包括锂金属或锂金属合金；阴极，所述阴极包括电活性硫材料和固体导电材料的混合物；电解质，所述电解质包括四氟硼酸盐和有机溶剂；其中，所述四氟硼酸盐在所述电解质中以0.05M～0.5M的浓度存在，并且其中，所述四氟硼酸盐以四氟硼酸根阴离子BF4‑与电活性材料中硫S的摩尔比为0.009～0.09:1的量存在。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：塞巴斯蒂安·德西拉尼，
申请(专利权)人：奥克斯能源有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB
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