[发明专利]一种双电解质体系锂硫电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池及其制备方法，具体说，是涉及一种双电解质体系的锂硫电池及其制备方法，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展，能源危机和环境污染成为全球关注的两大焦点。按照现在的消耗速度预计，石油资源面临枯竭。石油消耗最大的交通运输，所排放的尾气严重污染大气环境，近年来在我国造成严重的雾霾天气，引发广泛的呼吸系统疾病。在众多节能减排措施中，开发新能源汽车是一项极其重要的工作，目前已经有多款混合动力汽车大规模应用。为了提高电动车的续航能力和安全性能，开发高性能储能电池是电动汽车广泛应用的关键。锂离子二次电池由于开路电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应等优点，在便携式移动设备上得到广泛应用，同时在混合动力汽车及纯电动汽车中得到了快速发展。然而目前所广泛使用的锂二次电池能量密度有限，使得电动汽车需要很大的空间来容纳维持其运行的电池，这使得电动车必须轻型化才能满足续航要求。锂硫电池采用硫和金属锂分别作为正极和负极，二者相互匹配使得锂硫电池具有高的理论能量密度和理论比容量，是目前使用的锂二次电池得5倍以上。用锂硫电池替代传统的锂二次电池在电池质量不变的情况下续航能量提高5倍；而在相同续航能力情况下，体积和质量小的锂硫电池可以节省更多空间。因此，发展锂硫电池作为下一代电动汽车用储能电池受到广泛关注。

虽然锂硫电池具有成本低、能量密度高、原料来源丰富等优点，但是也同样存在一些不足，仍然需要研究改进。锂硫电池在放电过程中分为两个阶段，第一阶段是金属锂转化为Li⁺，通过电解液迁移到正极表面与硫反应生成可溶性的Li₂S₈，然后继续转化为Li₂S_n(4≤n<8)；第二阶段生成的可溶性Li₂S_n继续转化为不可溶的Li₂S₂或Li₂S沉积在正极表面。由于硫本身为电子和离子绝缘体，电化学反应过程中难以被完全利用，同时最终放电产物导电性差，沉积在电极表面会造成严重的极化；另外，放电过程中溶解到电解液中的多硫化锂，充放电过程中在正负极间来回穿梭并对金属锂负极造成腐蚀，部分多硫化锂溶解到电解液后难以完全被利用，造成了活性材料的损失。

为了解决这些问题，通常是将硫与导电材料进行复合来提高电极的电导率，同时导电材料还能够在一定程度上吸附放电中间产物，抑制多硫化锂的溶出扩散。在硫电极与隔膜间加入一层导电碳膜也能够有效吸附中间放电产物（Nature Communications,2012,3:1166）。在制备正极过程中加入第三相也可以有效提高电池效率（CN201210526096）。另外，还可以在电解液中加入少量的添加剂反应过程中在金属锂表面形成钝化膜来防止多硫化锂对金属锂的腐蚀行为，抑制穿梭效应（专利号US20040081894）。

采用上述方法能够在一定程度上抑制穿梭效应，提高电池循环性能，但是仍然难以从根本上解决锂硫电池中存在的问题。美国的Polyplus公司利用真空溅射法或等离子增强化学蒸镀法在锂表面镀覆一层厚度在50～200nm的玻璃态锂离子导体薄膜，该膜可以提供一个物理壁垒，避免锂负极与液体电解液和可溶性硫化物的直接接触。但是这种制备方法工艺要求苛刻，且成本较高，不便于大规模化生产应用。目前有文章报道直接采用全固态电解质来替代有机电解液，利用其能导锂离子而不能导聚硫离子的性质，完全抑制多硫化锂的穿梭效应。但是采用硫化物玻璃陶瓷作为电解质，正极中必须加入大量的电解质材料来提高硫正极的导电率，这将造成电极中活性硫含量较低，同时这种制备工艺需要采用较高的压力来使得各组分间紧密接触，工艺相对繁琐，且电池只能在较小电流下工作，难以满足电动汽车用储能电池的需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双电解质体系的锂硫电池，以解决现有锂硫电池中存在的上述问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双电解质体系锂硫电池，包括电池的正极和负极，其特征在于：在所述电池的正极与负极之间设有固体电解质，且在所述固体电解质与正极之间以及固体电解质与负极之间均填充有电解液或聚合物电解质。

作为一种优选方案，所述电解液中设有聚合物隔膜。

作为进一步优选方案，所述聚合物隔膜包括多孔聚乙烯隔膜、多孔聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯复合膜、纤维素隔膜、玻璃纤维隔膜、无纺布隔膜和附有陶瓷涂层的聚合物隔膜中的任意一种。