一种用于锂硫电池的凝胶态电解质及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于锂硫电池的凝胶态电解质及其制备方法。该凝胶态电解质包括电解质盐，醚类溶剂和引发剂三氟化硼乙醚。与现有商用的液态电解液相比，本发明专利技术大分子链结构的凝胶态电解质，通过化学聚合反应自发形成上层为准固态下层为凝胶态电解质的双层电解液，该电解质中还含有大量的路易斯酸能够有效吸附或催化多硫化锂，以及电解质中含有大量的氟和硼元素能够抑制锂枝晶的生长，达到了双功能引发剂的效果。本发明专利技术通过在室温下成功制备出凝胶态电解质，实现了捕获溶在电解质中的多硫化锂，进行吸附或催化提高硫的利用率，有效阻碍了多硫化锂的穿梭效应，并对锂金属负极进行保护，综合提高了电池的电化学性能。综合提高了电池的电化学性能。综合提高了电池的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂硫电池的凝胶态电解质及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂硫电池
，特别涉及一种用于锂硫电池的凝胶态电解质及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂硫电池因其较高的理论比容量 (1675 mAh g
‑1) 和能量密度 (2600 Wh kg
‑1)，受到广泛关注 。作为锂离子电池的一个非常具有前途的替代者，锂硫电池通过锂和硫之间的可逆电化学反应储存和传递能量。储能能力由能量密度来衡量，这代表着锂硫电池的优越性。此外，锂金属 (负极片) 有着高达3680 mAh g
‑1的理论比容量和低的电化学电位 (
‑
3.04 V相对于标准氢电极)，是目前已知理论比容量最高的电极材料之一。锂金属还是密度较小的金属，密度为0.534 g cm
‑3，因此锂金属被认为是锂硫电池存储设备中最佳的负极材料。以及硫在自然界中含量丰富、无毒和环境友好等天然优势，促使锂硫电池成为目前最有可能商业化的新能源电池。然而，锂硫电池也有它的缺陷; (1) 锂硫电池在循环过程中锂金属负极会出现锂枝晶的生长，锂枝晶的生长会刺穿隔膜导致电池短路，严重的甚至还会引起燃烧爆炸; (2) 锂硫电池在循环过程中，多硫化锂会溶解到电解质中，出现多硫化锂的穿梭现象，造成硫的损失。
[0003]因此，有必要寻找一种相对简单的方法，起到抑制锂枝晶的生长和阻碍多硫化锂的穿梭效应，从而推动锂硫电池的商业化发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种凝胶态电解质用于锂硫电池及其制备方法，以解决现有锂硫电池中多硫化锂穿梭以及锂枝晶生长等问题。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案如下：一种用于锂硫电池的凝胶态电解质，包括电解质锂盐、有机溶剂、引发剂三氟化硼乙醚，其中，三氟化硼乙醚在电解质中的浓度为0.5 wt%~2.0 wt%。
[0006]优选地，所述的有机溶剂为醚类，所述的醚类为12
‑
冠醚
‑
4、18
‑
冠
‑
6醚、2
‑
甲基四氢呋喃、1, 3
‑
二氧戊烷、1, 4
‑
二氧六环、4
‑
甲基
‑
1, 3
‑
二氧戊烷、2
‑
甲基
‑
1, 3
‑
二氧戊烷、四氢呋喃、二甲氧甲烷、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚中的一种或两种。
[0007]优选地，所述的锂盐为本领域常规使用的锂盐，可以是氯化锂、偏硼酸锂、六氟磷酸锂、溴化锂、碘化锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、双草酸硼酸锂和三氟甲磺酸锂中的一种或者两种。
[0008]优选地，锂盐在电解质中的摩尔浓度为1.0～5.0 mol L
‑1。
[0009]更优选地，三氟化硼乙醚在电解质中的浓度为1.0 wt%。
[0010]本专利技术还提供上述用于锂硫电池的凝胶态电解质的制备方法，包括以下步骤：在氩气手套箱里，将低温三氟化硼乙醚加入到溶有锂盐的有机溶剂中，静置3 h后，自发聚合
成所述的凝胶态电解质。
[0011]优选地，将自
‑
4℃以下保存的低温三氟化硼乙醚用棕色瓶转移到含氩气的手套箱中。
[0012]进一步地，本专利技术还提供上述凝胶态电解质在锂硫电池中的应用。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：在有机溶剂中，三氟化硼乙醚能够在锂负极表面原位转化为富含氟化锂、氟化物和硼化物等无机固态电解质保护层，促使锂离子均匀沉积，进而对锂负极进行保护。另外，三氟化硼乙醚是一种路易斯酸能与溶在电解质中的多硫化锂，发生化学相互作用，形成新的稳定化合物，进而提高硫的利用率，阻碍了多硫化锂的穿梭效应，从而提升锂硫电池的电化学性能和循环寿命。
附图说明
[0014]图1为制备凝胶态电解质过程示意图，a为醚类锂硫电解质加入1.0 % 三氟化硼乙醚引发剂的初始态，b为静置3 h后的凝胶态电解质，c为加入苦味酸静置3 h后的电解质。
[0015]图2为扫描电镜锂负极沉积图，a为实施例2制备的电解质，b为对比例1制备的醚类锂硫电解质。
[0016]图3为扫描电镜锂负极横截面图，a为实施例2制备的电解质，b为对比例1制备的醚类锂硫电解质。
[0017]图4为实施例和对比例制备的电解质用于锂铜电池在新威电化学工作站以电流密度为0.5 mA cm
‑2和容量为0.5 mAh cm
‑2的库伦效率图，a为实施例1
‑
4和对比例1制备的电解质的库伦效率对比图，b为对比例2和对比例1制备的电解质的库伦效率对比图。
[0018]图5为实施例2和对比例1制备的电解质用于锂锂电池在新威电化学工作站以电流密度为3 mA cm
‑2和容量为1 mAh cm
‑2极化稳定性对比图。
[0019]图6为实施例2和对比例1制备的电解质用于锂硫电池在高倍率2 C下的稳定性对比图。
具体实施方式
[0020]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。
[0021]对比例1硫正极和铜正极的制备：将硫复合材料粉末、导电炭和聚偏氟乙烯按质量比为7: 2: 1分散在N
‑
甲基吡咯烷酮溶液中，进行充分的机械搅拌配置成浆料，使用15微米的刮刀刮涂在铜箔上，放置在100 ℃真空烘箱中12 h，取出来后通过打孔机打成直径为1.2 cm的圆形电极片。同时也制备直径为1.2 cm的铜片。
[0022]在充满氩气的手套箱，配置体积比为1: 1的1, 3二氧戊环 (DOL) 与乙二醇二甲醚 (DME) 的混合溶剂，并添加双三氟甲基磺酰亚胺锂 (LiTFSI)，锂盐浓度为1.0 mol L
‑1，在充满氩气的手套箱里搅拌48 h静置，制得电解液。
[0023]扫描电镜锂负极沉积层如图2a所示，由图2a可知醚类锂硫电解质锂金属沉积层有断裂处并生长出大量苔藓状的枝晶。扫描电镜锂负极横截面图如图3a，由图3a可知在3 mA cm
‑2电流密度下（容量为1 mAh cm
‑2），可以明显的看到，醚类锂硫电解质中参与反应的沉积
层厚度是32.9 μm，沉积层越厚表明锂枝晶的生长，导致了循环层锂金属密度的下降，内部出现大量疏松多孔的结构。
[0024]对比例2在充满氩气的手套箱，配置体积比为1: 1的1, 3二氧戊环与乙二醇二甲醚的混合溶剂，并添加双三氟甲基磺酰亚胺锂，锂盐浓度为1.0 mol L
‑1，在充满氩气的手套箱里搅拌48 h静置。加入苦味酸（苦味酸在电解质中的浓度1.0 %）再静置3 h后，得到电解质，如图1c所示。
[0025]实施例1在充满氩气的手套箱，配置体积比为1: 1的1, 3二氧戊环与乙二醇二甲醚的混合溶剂，并添加双三氟甲基磺酰亚胺锂，锂盐浓度为1.0 m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂硫电池的凝胶态电解质，其特征在于，包括电解质锂盐、有机溶剂、引发剂三氟化硼乙醚，其中，三氟化硼乙醚在电解质中的浓度为0.5 wt%~2.0 wt%。2.如权利要求1所述的凝胶态电解质，其特征在于，所述的有机溶剂为醚类。3. 如权利要求1所述的凝胶态电解质，其特征在于，所述的有机溶剂为12
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冠醚
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4、18
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冠
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6醚、2
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甲基四氢呋喃、1, 3
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二氧戊烷、1, 4
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二氧六环、4
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甲基
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1, 3
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二氧戊烷、2
‑
甲基
‑
1, 3
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二氧戊烷、四氢呋喃、二甲氧甲烷、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇...

【专利技术属性】
技术研发人员：王赪胤，庄思东，王天奕，卢嘉慧，褚子豪，陈鹏，李家宝，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：