[发明专利]锂硫电池用电解质和包含其的锂硫电池

说明书

本发明涉及一种锂硫电池用电解质和包括所述电解质的锂硫电池，更特别地涉及一种包含锂盐、非水有机溶剂和添加剂的锂硫电池用电解质，其中所述添加剂包含烷基乙烯基醚化合物。本发明的锂硫电池用电解质改善了负极的效率和稳定性，由此改善了所述锂硫电池的容量和寿命特性。

技术领域

本申请要求2020年3月27日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2020-0037351和2021年3月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2021-0036050的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本发明涉及锂硫电池用电解质和包括所述电解质的锂硫电池。

背景技术

随着锂二次电池的应用范围不仅扩展到便携式电子装置，而且扩展到电动车辆(EV)和蓄电系统(ESS)，对具有高容量、高能量密度和长寿命的锂二次电池的需求正在增加。

在各种锂二次电池之中，锂硫电池是使用含有硫-硫键的硫类材料作为正极活性材料并使用锂金属、嵌入/脱嵌锂离子的碳类材料或与锂形成合金的硅或锡作为负极活性材料的电池系统。

在锂硫电池中，存在的优点是，作为正极活性材料的主要材料的硫具有低原子量，资源非常丰富，因此易于供应和接收，并且便宜、无毒和环境友好。

另外，锂硫电池具有1,675mAh/g的理论比容量，这是由在正极中锂离子和硫的转化反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)引起的，并且当使用锂金属作为负极时，锂硫电池展现出2,600Wh/kg的理论能量密度。由于与目前正在研究的其它电池系统(Ni-MH电池：450Wh/kg，Li-FeS电池：480Wh/kg，Li-MnO₂电池：1,000Wh/kg；Na-S电池：800Wh/kg)和锂离子电池(250Wh/kg)的理论能量密度相比，锂硫电池的理论能量密度具有非常高的值，因此在迄今为止正在开发的二次电池之中，锂硫电池作为高容量、环保和低成本的锂二次电池正引起关注。

具体地，在锂硫电池中使用锂金属作为负极活性材料的情况下，由于理论比容量显著高达3,860mAh/g，并且标准还原电位(标准氢电极：SHE)非常低，为-3.045V，因此可以实现具有高容量和高能量密度的电池，因此作为下一代电池系统，正在进行若干研究。

然而，由于作为负极活性材料的锂金属由于其高化学/电化学反应性而易于与电解质反应，因此在负极的表面上形成钝化层。这种钝化层导致局部区域中的电流密度的差异，从而在锂金属的表面上形成锂枝晶。另外，这样形成的锂枝晶导致电池内部短路和惰性锂(死锂)，因此不仅导致增加锂二次电池的物理和化学不稳定性的问题，而且导致降低电池容量和缩短循环寿命的问题。

由于如上所述的锂金属的高度不稳定性，使用锂金属作为负极的锂硫电池尚未商业化。

因此，正在研究各种方法，例如在锂金属表面上引入保护层或改变电解质的组成。

例如，韩国专利公开号2016-0034183描述了通过形成作为聚合物基体的保护层可以防止电解质的损失和枝晶的产生，这种保护层可以在含有锂金属或锂合金的负极活性层上累积电解质同时保护负极。

另外，韩国专利公开号2016-0052351公开了通过将锂枝晶吸收材料并入到形成在锂金属表面上的聚合物保护膜中，可以抑制锂枝晶的生长，从而改善锂二次电池的稳定性和寿命特性。

另外，Jiangfeng Qian等和韩国专利公开号2013-0079126各自公开了通过提高锂盐的浓度或通过并入包含1,3,5-三烷、1,3-二氧戊环和氟类环状碳酸酯的非水有机溶剂，可以改善包含锂金属的电池的特性。