一种含有双溶剂的低温电解液及其在锂硫电池中的应用

本发明涉及电解液的制备，尤其是涉及一种含有弱配位溶剂、高介电常数溶剂和锂盐的弱溶剂化电解液提高低温锂硫电池性能的制备方法及应用。

背景技术：

1、低温锂硫电池的研究背景涉及对能在极端低温条件下有效工作的可充电电池的需求。这类电池在特殊领域，如极地探索、深海作业、太空任务和国防工业中，具有重要应用价值。锂硫电池因其高能量密度、低成本和环保特性，被认为是极具潜力的候选者之一。电解液在锂硫电池中起着至关重要的作用，不仅作为离子导体，还广泛参与锂和硫的转化反应。电解液的设计直接影响电池的循环寿命、库仑效率和稳定性。然而低温下，锂硫电池面临的主要挑战包括离子迁移速率降低、电解液/电极界面阻抗增大、电解液粘度增大导致离子电导率降低等。近年来，研究者们从电解液的溶剂、锂盐和添加剂等方面进行了深入研究，开发了多种电解液配方，取得了显著进展。通常，溶剂的选择由两个最重要的参数决定：介电常数和供体数dn。由于低温下脱溶剂化缓慢，宜选择具有弱配位的有机溶剂通过弱溶剂化作用促进锂离子脱溶，从而加快低温动力学，但却以牺牲体电解液的离子扩散为代价。因此，引入一种合适的双溶剂，激发低温下去溶剂化动力学和离子扩散速率之间平衡的相互竞争受到广泛关注。

技术实现思路

1、使用弱配位作用电解液提高锂硫电池的低温性能，主要是弱配位溶剂的加入降低低温下锂离子的脱溶剂化能，高介电常数溶剂的加入可以弥补体相电解液中离子迁移速率的不足，提高低温下离子扩散动力学，二者协同作用有利于实现超低温下锂硫电池的循环性能。在此过程中，弱配位溶剂和高介电常数溶剂的选择的种类和含量对最终的循环性能效果至关重要。因此，本申请公开了一种弱溶剂化作用的锂硫电池电解液的制备方法及应用，使用环丁砜(sul)、二甲氧基甲烷(dmm)、二甲氧基乙烷(dme)、乙二醇乙醚(2-ethoxyethanol)、乙二醇二丁基醚(debge)、异丙醚、(dpe)乳酸丁酯(butyl lactate)、乙醚(et2o)、丙酮(acetone)、乙酸乙酯(eac)、丙醚(n-propyl ether)、四氢呋喃(thf)、二甲基四氢呋喃(methf)、三氟乙酸甲酯(mtfa)中的一种或多种。弱配位溶剂的加入降低低温下锂离子的脱溶剂化能。高介电常数溶剂包括乙腈(an)、吡啶(py)、氟吡啶(2-fluoropyridin)、二甲基亚砜(dmso)、丁内酯(bl)、氟代碳酸乙烯酯(fec)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲丙酯(mpc)、磷酸三甲酯(tmp)、醋酸甲酯(ma)、醋酸乙酯(ea)、醋酸丙酯(pa)、醋酸丁酯(ba)中的一种或多种，高介电常数溶剂的加入可以弥补体相电解液中离子迁移速率的不足，提高低温下离子扩散动力学，有效的平衡了激发低温下去溶剂化动力学和离子扩散速率之间平衡的相互竞争。这种弱配位电解液在锂硫电池低温电解液行业有广泛的应用前景。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种含有双溶剂的低温锂硫电池电解液的制备方法，包括：将锂盐溶于弱配位溶剂和高介电常数溶剂组成的混合溶剂中，得到弱配位锂硫电池电解液。

4、所述的锂硫电池弱配位电解液中，锂盐浓度为0.5m～5m；混合溶剂中：弱配位溶剂的体积占比为10％～90％，高介电常数溶剂的体积占比为10％～90％。

5、进一步地，所述锂硫电池电解液中，弱配位溶剂为以下几种化合物中的至少一种：环丁砜(sul)、二甲氧基甲烷(dmm)、二甲氧基乙烷(dme)、乙二醇乙醚(2-ethoxyethanol)、乙二醇二丁基醚(debge)、异丙醚、(dpe)乳酸丁酯(butyl lactate)、乙醚(et2o)、丙酮(acetone)、乙酸乙酯(eac)、丙醚(n-propyl ether)、四氢呋喃(thf)、二甲基四氢呋喃(methf)、三氟乙酸甲酯(mtfa)。所述的锂硫电池弱配位电解液中，优选的，弱配位溶剂的体积占比为10％～90％，进一步的，弱配位溶剂的体积占比为60％～90％。

6、进一步地，所述锂离子电池电解液还包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂(lipf6)、四氟硼酸锂(libf4)、硝酸锂(lino3)、六氟砷酸锂(liasf6)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)、二氟草酸硼酸锂(lidfob)、双三氟甲磺酰亚胺锂(litfsi)、双氟磺酰亚胺锂(lifsi)、高氯酸锂(liclo4)、双草酸硼酸锂(libob)中的一种或多种。优选的，所述锂盐添加总量为0.5m-5m，进一步的，锂盐添加总量为1m-2m。

7、进一步地，所述高介电常数电解液包括乙腈(an)、吡啶(py)、氟吡啶(2-fluoropyridin)、二甲基亚砜(dmso)、丁内酯(bl)、氟代碳酸乙烯酯(fec)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲丙酯(mpc)、磷酸三甲酯(tmp)、醋酸甲酯(ma)、醋酸乙酯(ea)、醋酸丙酯(pa)、醋酸丁酯(ba)中的一种或多种。所述的锂硫电池弱配位电解液中，优选的，所述高介电常数溶剂的体积占比为10％～90％，进一步的，高介电常数溶剂的体积占比为10％～40％。

8、上述用于锂硫电池电解液的制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。

9、本发明的优点和积极效果是：

10、1、本发明方法成本低、操作简单、药品成分安全。

11、2、本发明在锂硫电池中弱配位溶剂的加入降低低温下锂离子的脱溶剂化能，高介电常数溶剂的加入可以弥补体相电解液中离子迁移速率的不足，提高低温下离子扩散动力学，二者协同作用有利于实现超低温下锂硫电池的循环性能。

技术特征：

1.一种含有双溶剂的低温电解液的制备方法，其特征在于，包括：将锂盐溶于弱配位溶剂和高介电常数溶剂组成的混合溶剂中，得到弱溶剂化锂硫电池电解液；

2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，锂硫电池电解液的弱配位溶剂成分为以下化合物中的至少一种：环丁砜(sul)、二甲氧基甲烷(dmm)、二甲氧基乙烷(dme)、乙二醇乙醚(2-ethoxyethanol)、乙二醇二丁基醚(debge)、异丙醚、(dpe)乳酸丁酯(butyllactate)、乙醚(et2o)、丙酮(acetone)、乙酸乙酯(eac)、丙醚(n-propyl ether)、四氢呋喃(thf)、二甲基四氢呋喃(methf)、三氟乙酸甲酯(mtfa)中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述锂盐包括有六氟磷酸锂(lipf6)、四氟硼酸锂(libf4)、硝酸锂(lino3)、六氟砷酸锂(liasf6)、三氟甲磺酸锂(licf3so3)、二氟草酸硼酸锂(lidfob)、双三氟甲磺酰亚胺锂(litfsi)、双氟磺酰亚胺锂(lifsi)、高氯酸锂(liclo4)、双草酸硼酸锂(libob)中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述的高介电常数溶剂包括有乙腈(an)、吡啶(py)、氟吡啶(2-fluoropyridin)、二甲基亚砜(dmso)、丁内酯(bl)、氟代碳酸乙烯酯(fec)、碳酸甲乙酯(emc)、碳酸乙烯酯(ec)、碳酸丙烯酯(pc)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸甲丙酯(mpc)、磷酸三甲酯(tmp)、醋酸甲酯(ma)、醋酸乙酯(ea)、醋酸丙酯(pa)、醋酸丁酯(ba)中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：锂硫电池弱配位电解液中，锂盐浓度为为1m-2m。

6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：混合溶剂中，弱配位溶剂的体积占比为60％～90％。

技术总结
本发明公开了一种含有双溶剂的低温电解液及其在锂硫电池中的应用；电解液由弱配位溶剂、高介电常数溶剂和锂盐组成，制备包括：将锂盐溶于弱配位溶剂和高介电常数溶剂组成的混合溶剂中，得到弱溶剂化锂硫电池电解液。弱配位溶剂的加入降低低温下锂离子的脱溶剂化能，高介电常数溶剂的加入可以弥补体相电解液中离子迁移速率的不足，提高低温下离子扩散动力学，二者协同作用有利于实现超低温下锂硫电池的循环性能。

技术研发人员：陈忠伟,汪冬冬,罗丹,任婧萱
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7