用于锂硫电池的电解液以及包括这种电解液的锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及一种用于锂硫电池的电解液以及包括这种电解液的锂硫电池。本发明专利技术提供一种用于锂硫电池的电解液，ａ）硫溶解度在２０ｍＭ以上的第一组分溶剂；ｂ）硫溶解度在２０ｍＭ以下的第二组分溶剂；ｃ）高介电常数和高粘度的第三组分溶剂；和ｄ）电解液盐。这种电池具有优异的容量和循环寿命特性。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
有关申请的对照此申请是依据2000年6月25日和2000年8月17目在韩国工业产权局提交的申请号为2000-42735和2000-47348的申请，这两篇申请的内容引入本文作为参考。专利技术的背景(a)专利
本专利技术涉及用于锂硫电池的电解液，以及含有这种电解液的锂硫电池，更具体地，本专利技术涉及通过将具有不同的硫溶解度的至少两种溶剂和具有高介质常数与高粘度的溶剂混合所制备的锂硫电池电解液，以及包含这种电解液的锂硫电池。(b)相关技术的描述根据可移动电子设备的迅速发展，增加了对二次电池的需求。近年来，为了顺应小型、薄型、轻型可移动电子设备的趋势，对高能量密度电池的需要增加了。由此，需要开发具有良好安全性、经济性而且对环境无害的电池。在满足上述要求的电池中，锂硫电池在能量密度方面是最有利的。用作负极活性物质的锂的能量密度是3830mAh/g，用作正极活性物质的硫(S8)的能量密度是1675mAh/g，而且这些活性材料便宜且对环境无害。然而，锂硫电池系统的使用仍不普及。锂硫电池的使用仍不普及的原因在于与加入硫的量相比，电池中用在电化学还原/氧化(氧化还原作用)的硫的量非常低。也就是说，硫的利用非常低，以致于当硫用作活性物质时，电池容量非常低。另外，在氧化还原期间，硫泄漏到电解液中，破坏了电池的循环寿命。而且，当选择的电解液不合适时，硫化锂(Li2S)(硫被还原后的材料)沉积出来，使其不能再参与电化学反应。同样，为了改善循环寿命和安全性，美国专利US5961672公开了含有1MLiSO3CF3且混合比为50/20/10/20的1，3-二氧杂环乙烷/二甘醇二甲醚/环丁砜(sulforane)/二甲氧基乙烷混合的电解液溶液和用聚合物覆盖的金属锂负极。美国专利US5523179、US5814420以及US6030720提出了解决这些问题的改进技术。美国专利US6030720公开了一种混和溶剂，其中包括通式为R1(CH2CH2O)nR2(其中n在2至10之间，R1和R2是不同或相同的烷基或烷氧基)的主溶剂和给电子体数至少约15的助溶剂。同时，上述专利采用液体电解液溶剂，该溶剂包括至少一种给电子体溶剂，例如冠醚或穴状配体，而且电解液在放电之后最终转变为阴极电解液。该专利公开分隔距离小于400μm，上述分隔距离定义为单电池阴极电解液存留区域的边界。同时，还需要解决用锂金属作负极使电池循环寿命缩短的问题。寿命变短的原因是由于重复进行充/放电循环，由金属锂沉积而形成的枝晶在锂负极表面生长并达到正极表面，从而导致了短路。另外，由于锂表面和电解液的反应而出现的锂腐蚀降低了电池的容量。为了解决这些问题，美国专利US6017651、6025094和5961672公开了一种在锂电极的表面形成保护层的技术。为了良好地工作，要求保护层能够使锂离子自由迁移并禁止锂与电解液接触。但是，已知的方法至今仍存在一些问题。大部分锂保护层是在制造电池之后通过电解液中的添加剂与锂反应形成。但是，由于这种方法不能形成致密层，致使许多电解液渗入锂金属并与之接触。还存在一种通过锂表面的氮等离子反应在锂表面上形成氮化锂(Li3N)层的方法。但这种方法仍有问题电解液通过颗粒边界渗入；由于水蒸气，氮化锂层可能分解；以及电位窗(potential window)非常低(0.45V)，因此实际上很难采用。专利技术概述提出本专利技术以解决这些问题，因此，本专利技术的一个目的是提供一种用于锂硫电池的电解液，以改善锂硫电池的循环寿命和容量特性，该电解液是通过将至少两种具有不同硫溶解度的溶剂与具有高介电常数和高粘度的溶剂混合而制备的。本专利技术的另一个目的是提供一种使用该电解液的锂硫电池。为了达到此目的，本专利技术提供一种用于锂硫电池的电解液，包括a)硫溶解度在20mM以上的第一组分溶剂；b)硫溶解度在20mM以下的第二组分溶剂；c)高介电常数和高粘度的第三组分溶剂；和d)电解液盐。本专利技术的特征将在附图中进一步描述，所述附图引入本文并构成本说明书和下面的详细描述的一部分。附图的简要说明附图说明图1是含实施例1至4和对比例1的电解液的锂硫电池的比放电容量曲线图。图2是含实施例5至7以及对比例1和2的电解液的锂硫电池的比放电容量曲线图。详细说明及优选实施例一般地，由于锂硫电池用活性硫(S8)、硫化锂(Li2S)和多硫化锂(Li2Sn，n＝2，4，6或8)等硫基化合物作为正极活性材料，因此应当采用能很好地溶解这些正极活性材料的溶剂。本专利技术的电解液包括a)硫溶解度在20mM以上的第一组分溶剂；b)硫溶解度在20mM以下的第二组分溶剂；c)高介电常数和高粘度的第三组分溶剂；和d)电解液盐。本专利技术是通过如下方法完成的，即用实验方法选择具有不同硫溶解度的溶剂并测量硫溶解度，然后将所选定的溶剂混合。溶剂的硫溶解度通过以下方法估算。将10mg的硫粉末添加到每一种溶剂中并搅拌10分钟。待硫粉末完全溶解，再添加另一份10mg的硫粉末，此过程重复进行。当所添加的硫粉末的一部分没有溶解时，通过用滤纸过滤使未溶解的硫复原并测量过滤后的硫的量。由硫的质量计算出溶剂的硫溶解度。实验溶剂的硫溶解度如表1中所示。表1 如上面的表1所示，硫溶解度在20mM以上用作电解液的第一组分溶剂包括苯、氟苯、甲苯、三氟甲苯、二甲苯、环己烷、四氢呋喃和2甲基四氢呋喃。硫溶解度在20mM以下用作电解液的第二组分溶剂包括环己酮、乙醇、异丙醇、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、二甲氧基乙烷、1，3-二氧戊环、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙基醚)和四甘醇二甲醚。优选第一组分溶剂和第二组分溶剂之间的差别大于20mM。表1中的上述溶剂作为溶剂的举例。也可以采用硫溶解度在本专利技术的范围内的其它溶剂。作为电解液的第三组分，具有高介电常数和粘度的溶剂包括碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、γ-丁内酯、环丁砜等等。在锂硫电池充放电循环重复的过程中所产生的硫基化合物有六种。其中，硫具有相对较低的极性，但是硫化锂和多硫化锂(Li2Sn，n＝2，4，6或8)是具有高极性的离子化合物。因此，考虑到硫基化合物的总溶解度，优选第一组分的量小于第二组分的量。出于这样的考虑，优选使用约5至约30％重量的第一组分溶剂。为了提高硫基化合物整体的溶解度，最好在上述范围内。例如，如果使用的第一组分溶剂低于5％重量，则电解液对硫的溶解性好而对(多)硫化锂的溶解性差。第二组分溶剂的量优选为约20至约70％重量，更优选为约20至约50％重量。为了提高硫基化合物整体的溶解度，最好在上述范围内。第三组分溶剂的量优选为约20至约70％重量，更优选为约20至约50％重量。为了提高电解液性能，最好在上述范围内。例如，由于第三组分溶剂非常粘，如果其用量超过70％重量，则放电容量急剧下降。同样，由于第三溶剂具有高极性，其不可能渗入低极性的隔板中。当第三组分溶剂的用量超过70％重量时，渗入困难还可能降低放电容量。第三组分溶剂具有高极性，因此是非常好的电解液溶剂，碳酸亚乙酯和环丁砜在室温下以固态存在。为了弥补上述缺陷，具有低粘度的第二组分溶剂和第三组分溶剂一起使用。依据粘度和介电常数确定第二和第三组分溶剂在本专利技术的电解液中的用量。不宜过多地使用第二和第三溶剂中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于锂硫电池的电解液，包括ａ）硫溶解度在２０ｍＭ以上的第一组分溶剂；ｂ）硫溶解度在２０ｍＭ以下的第二组分溶剂；ｃ）高介电常数和高粘度的第三组分溶剂；和ｄ）电解液盐。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄德哲，崔允硕，崔水石，李济玩，郑镛洲，金周石，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]