用于鋰硫電池的電解質的制作方法

用于鋰硫電池的電解質的制作方法
【專利摘要】一種用于鋰硫電池的電解質，所述電解質包括至少一種鋰鹽和至少一種有機溶劑；以及表面活性劑；其中，所述電解質中表面活性劑的濃度為0.5wt％至3wt％。
【專利說明】
用于裡硫電池的電解質
技術領域
[0001] 本發明設及一種用于裡硫電池的電解質。本發明還設及一種裡硫電池。本發明進 一步設及一種用于生產裡硫電池的方法。
【背景技術】
[0002] 典型的裡-硫電池包括由裡金屬或裡金屬合金形成的陽極（負極），和由單質硫或 其他電活性硫材料形成的陰極（正極）。硫或其它含硫電活性材料可與導電材料例如碳混 合，W提高其導電性。通常，將碳和硫磨碎，然后與溶劑和粘合劑混合W形成漿料。將該漿料 施用于集流體，然后干燥W除去溶劑。將所得到的結構壓延W形成復合結構，將該復合結構 切成所需形狀W形成陰極。將隔膜(separator)設置在陰極上并且將裡陽極設置在該隔膜 上。將電解質引入到電池中W潤濕陰極和隔膜。
[0003] 裡硫電池是二次電池，并且可W通過對電池施加外部電流進行再充電。運類可再 充電電池具有廣泛的潛在應用，并且在開發裡-硫二次電池時一個重要的考慮因素是使電 池的有用循環壽命最大化。

【發明內容】

[0004] 在描述本發明的具體實施例之前，應當理解，本公開并不限于本文公開的具體的 電池、方法或材料。也應當理解，本文中使用的術語僅用于描述具體實施例，而不用于限制， 因為保護范圍將由權利要求書及其等同物來限定。
[0005] 在描述和要求保護本發明的電池和方法時，將使用下列術語:除非上下文另有明 確說明，單數形式"一"、"一個"和"該"包括復數形式。因此，例如，"陽極"包括一個或多個運 樣的元件。
[0006] 根據本發明的一個方面，提供一種用于裡硫電池的電解質，所述電解質包括至少 一種裡鹽和至少一種有機溶劑；W及表面活性劑；其中，電解質中表面活性劑的濃度為 0.5wt%至3wt%。
[0007] 根據本發明的另一個方面，提供了一種裡硫電池，所述裡硫電池包括：
[000引陽極，所述陽極包括裡金屬或裡金屬合金；
[0009]陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物；
[001日]多孔隔膜；從及
[0011] 電解質，所述電解質包括至少一種裡鹽、至少一種有機溶劑和表面活性劑。
[0012] 根據本發明的又一方面，提供了一種用于生產所要求保護的裡硫電池的方法，所 述方法包括：
[0013] 將電解質引入到電池組件中，所述電解質包括至少一種裡鹽、至少一種有機溶劑 和表面活性劑，所述電池組件包括陽極、陰極和多孔隔膜，所述陽極包括裡金屬或裡金屬合 金，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物。
[0014] 據發現，根據本發明的電解質有利地提高了裡硫電池的充電容量和放電容量。據 認為，根據本發明的電解質中的表面活性劑提高了隔膜和陰極的潤濕性。運提高了電池容 量，并改善了電池的速率和循環性質(諸如循環壽命）。
[0015] 盡管具有表面活性劑涂層的隔膜是可商購的，但是據發現，使用本發明的電解質 提供了改善的循環壽命，并且不僅使隔膜能夠廣泛應用，還使得合適的表面活性劑能夠在 其最佳條件下使用。
[0016] 據發現，當電解質中存在表面活性劑時，電解質有利地更容易地滲入到陰極中，更 有效地潤濕陰極。隨著電解質滲入陰極，其替代了電活性硫材料和固體導電材料的混合物 中包裹(trap)的任何空氣。在沒有表面活性劑的情況下，對陰極的滲透可能不太有效，結果 空氣的包可保留在陰極結構中。將表面活性劑加入到電解質中的優點還在于:例如在構建 裡硫電池期間，由于改善的滲透和陰極潤濕，而防止或降低了電解質的泄漏。
[0017] 如上所討論，根據本發明的一個方面，提供一種用于裡硫電化學電池的電解質，電 解質包括至少一種裡鹽和至少一種有機溶劑；W及表面活性劑;其中，電解質中表面活性劑 的濃度為0.5wt %至3wt %。
[001引優選地，電解質中表面活性劑的濃度為0.75wt %至2.25wt %，更優選為1.25wt % 至 1.75wt%，例如為 1.5wt%。
[0019] 優選地，表面活性劑為非離子表面活性劑。合適的表面活性劑包括:長鏈醇(諸如 脂肪醇、嫁蠟醇、硬脂醇、嫁蠟硬脂醇和油醇）；醇乙氧基化物（例如，Tergitol 15-S-5、 Tergitol 15-S-7和Te巧itol 15-S-9);聚氧乙締乙二醇烷基酸（Brij),例如，八乙二醇單 十二烷基酸和五乙二醇單十二烷基酸;聚丙二醇烷基酸;葡糖巧烷基酸，例如，癸基葡糖巧、 月桂基葡糖巧和辛基葡糖巧；聚乙二醇辛基酪酸，例如，Triton X-100;聚氧乙二醇烷基酪 酸，例如，壬苯醇酸(nonxynol-9);甘油烷基醋，例如，月桂酸甘油醋；聚氧乙締二醇山梨糖 醇烷基醋，山梨醇酢烷基醋，挪油酷胺MEA，挪油酷胺DEA，十二烷基環氧乙燒，聚乙二醇和聚 丙二醇（泊洛沙姆）的嵌段共聚物W及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。優選地，表面活性劑不含有 氣。優選地，表面活性劑不是下式表示的氣基表面活性劑：
[0020]
[0021] 其中，R為氨、乙酷基、甲基或苯甲酯基;并且m和n為2至20的整數。
[0022] 優選地，表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基酸、硅氧烷乙二醇、 咪挫嘟、聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋、和聚氧乙締壬基苯基酸，W及它們的混合物。在一 個實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基酸(例如聚乙二醇十二烷基酸） 或聚氧乙締烷基酸(例如聚氧乙締油基酸或聚氧乙締月桂基酸）。
[00剖在優選的實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物，例如，仲醇乙氧基化物。例如， 仲醇乙氧基化物可具有W下通式：
[0024] 打 2-14出 5-29 [ C出 C出 0]化
[0025] 其中，X為5至9的整數，例如，5、7或9。
[0026] 在一個實施方式中，表面活性劑具有下式：
[0027]
[002引其中，X為5至9的整數，例如5、7或9,優選為5。運種表面活性劑的合適的實例包括 W商標名Tergitol 15-S出售的那些產品，諸如Tergitol 15-S-5、Tergitol 15-S-7和 Tergitol 15-S-9。
[0029] 不希望受到任何理論的束縛，醇乙氧基化物（例如，如上所述的仲醇乙氧基化物） 可用于改善裡硫電池的放電容量和/或循環效率。據發現，包含運種表面活性劑的電解質能 夠更有效地潤濕例如聚丙締和/或聚乙締形成隔膜。進而可改善電池的電化學性能。在一些 實施方式中，當電解質包括諷溶劑，例如環下諷時，效果是尤其顯著的。環下諷典型地是粘 稠的，并且不太能有效地潤濕電池的隔膜。然而，當醇乙氧基化物分散在諷(例如環下諷)溶 劑中時，可大大改善溶劑的潤濕能力。
[0030] 合適的裡鹽包括六氣憐酸裡化iPFs)、六氣神酸裡化iAsFs)、高氯酸裡化iCl化），= 氣甲橫酷亞胺裡(LiN(CF3S〇2)2))、四氣棚酸裡、S氣甲橫酸裡(肌SOsLi似及二草酸棚酸裡 化iB(C2化)2)中的至少一種。優選地，裡鹽為；氣甲橫酸裡。
[0031] 在電解質中使用的合適的有機溶劑是四氨巧喃、2-甲基四氨巧喃、碳酸二甲醋、碳 酸二乙醋、碳酸甲乙醋、碳酸甲丙醋、丙酸甲丙醋、丙酸乙丙醋、乙酸甲醋、二甲氧基乙燒、1， 3-二氧戊環、二甘醇二甲酸(2-甲氧基乙酸）、四甘醇二甲酸、碳酸亞乙醋、碳酸亞丙醋、丫-下內醋、二氧戊環、六甲基憐酷胺、化晚、二甲亞諷、憐酸S下醋、憐酸S甲醋、N，N，N，N-四乙 基橫酷胺和諷，W及它們的混合物。優選地，上述有機溶劑為諷或諷的混合物。諷的實例為 二甲基諷和環下諷。環下諷可作為唯一的溶劑使用或例如與其它諷組合使用。
[0032] 在電解質中使用的有機溶劑應能夠溶解在電池放電過程中電活性硫材料還原時 形成的多硫化物，例如，式S戶的多硫化物物質，其中n = 2至12。
[0033] 在一個實施方式中，電解質包括=氣甲橫酸裡和環下諷。
[0034] 電解質中裡鹽的濃度優選地為0.1 M至5M，更選0.5M至3M，例如IM。裡鹽優選地W飽 和濃度的至少70%、優選至少80%、更優選至少90%，例如95%至99%的濃度存在。
[0035] 如上所討論，根據本發明的另一個方面，提供了一種裡硫電化學電池，所述裡硫電 化學電池包括：陽極，所述陽極包括裡金屬或裡金屬合金；陰極，所述陰極包括電活性硫材 料和固體導電材料的混合物；多孔隔膜；W及電解質，所述電解質包括至少一種裡鹽、至少 一種有機溶劑W及表面活性劑。
[0036] 本發明的電化學電池可為任何合適的裡硫電池。電池包括：陽極、陰極、電解質W 及可有利地放置在陽極和陰極之間的多孔隔膜。陽極由裡金屬或裡金屬合金形成。優選地， 陽極是金屬錐電極，諸如裡錐電極。裡錐可由裡金屬或裡金屬合金形成。
[0037] 電化學電池的陰極包括電活性硫材料和導電材料的混合物。該混合物形成電活性 層，其可設置為與集流體接觸。
[0038] 上述電活性硫材料可包括單質硫、硫類有機化合物、硫類無機化合物和含硫聚合 物。優選使用單質硫。
[0039] 上述固體導電性材料可W是任何合適的導電材料。優選地，該固體導電材料可由 碳形成。實例包括炭黑、碳纖維、石墨締和碳納米管。其它合適的材料包括金屬(例如薄片、 碎屑和粉末）W及導電聚合物。優選使用炭黑。
[0040] 電活性硫材料和導電性材料的混合物可施用于在溶劑(例如水或有機溶劑）中的 漿料形式的集流體。然后可將溶劑除去，并將所得到的結構壓延W形成復合結構，將該復合 結構切成所需形狀W形成陰極。將隔膜放置在陰極上并且將裡陽極放置在該隔膜上。然后 可將電解質引入到組裝的電池中W濕潤陰極和隔膜。
[0041] 或者，在形成陰極之后，可將電解質涂覆在陰極上。可隨后將隔膜放置在經涂覆的 陰極上，將陽極放置在該隔膜上。
[0042] 如上所討論，上述電池包括電解質。電解質存在于或設置在電極之間，使電荷能夠 在陽極和陰極之間轉移。優選地，電解質潤濕陰極的孔W及隔膜的孔。
[0043] 電解質包括至少一種裡鹽、至少一種有機溶劑和表面活性劑。合適的裡鹽包括六 氣憐酸裡化iPFs)、六氣神酸裡化iAsFs)、高氯酸裡化iCl〇4)，S氣甲橫酷亞胺裡化iN (C的S〇2)2))、四氣棚酸裡、S氣甲橫酸裡(CF3S化11)^及二草酸棚酸裡化18侶〇4)2)中的至 少一種。優選地，裡鹽為=氣甲橫酸裡。
[0044] 在電解質中使用的合適的有機溶劑是四氨巧喃、2-甲基四氨巧喃、碳酸二甲醋、碳 酸二乙醋、碳酸甲乙醋、碳酸甲丙醋、丙酸甲丙醋、丙酸乙丙醋、乙酸甲醋、二甲氧基乙燒、1， 3-二氧戊環、二甘醇二甲酸(2-甲氧基乙酸）、四甘醇二甲酸、碳酸亞乙醋、碳酸亞丙醋、丫-下內醋、二氧戊環、六甲基憐酷胺、化晚、二甲亞諷、憐酸S下醋、憐酸S甲醋、N，N，N，N-四乙 基橫酷胺和諷，W及它們的混合物。優選地，上述有機溶劑是諷或諷的混合物。諷的實例是 二甲基諷和環下諷。環下諷可作為唯一的溶劑使用或例如與其他諷組合使用。在一個實施 方式中，電解質包括=氣甲橫酸裡和環下諷。
[0045] 在電解質中使用的有機溶劑應能夠溶解在電池放電過程中電活性硫材料還原時 形成的多硫化物物質，例如，式S戶的多硫化物物質，其中n = 2至12。
[0046] 在一個實施方式中，電解質包括=氣甲橫酸裡和環下諷。
[0047] 電解質中裡鹽的濃度優選地為0.1 M至5M，更選0.5M至3M，例如1M。裡鹽優選地W飽 和濃度的至少70%、優選至少80%、更優選至少90%，例如95%至99%的濃度存在。
[0048] 優選地，表面活性劑為非離子表面活性劑。合適的表面活性劑包括長鏈醇(諸如脂 肪醇、嫁蠟醇、硬脂醇、嫁蠟硬脂醇和油醇）；醇乙氧基化物（例如，Tergitol 15-S-5、 Tergitol 15-S-7和Te巧itol 15-S-9);聚氧乙締乙二醇烷基酸（Brij),例如，八乙二醇單 十二烷基酸和五乙二醇單十二烷基酸;聚丙二醇烷基酸;葡糖巧烷基酸，例如，癸基葡糖巧、 月桂基葡糖巧和辛基葡糖巧；聚乙二醇辛基酪酸，例如，Triton X-100;聚氧乙二醇烷基酪 酸，例如，壬苯醇酸(nonxynol-9);甘油烷基醋，例如，月桂酸甘油醋；聚氧乙締二醇山梨糖 醇烷基醋，山梨醇酢烷基醋，挪油酷胺MEA，挪油酷胺DEA，十二烷基環氧乙燒，聚乙二醇和聚 丙二醇（泊洛沙姆）的嵌段共聚物W及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。優選地，表面活性劑不含有 氣。優選地，表面活性劑不是下式表示的氣基表面活性劑：
[0049]
[0050] 其中，R為氨、乙酷基、甲基或苯甲酯基;并且m和n為2至20的整數。
[0051] 優選地，表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基酸、硅氧烷乙二醇、 咪挫嘟、聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋、和聚氧乙締壬基苯基酸，W及它們的混合物。在一 個實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基酸(例如聚乙二醇十二烷基酸） 或聚氧乙締烷基酸(例如聚氧乙締油基酸或聚氧乙締月桂基酸）。
[0052] 在優選的實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物，例如，仲醇乙氧基化物。例如， 仲醇乙氧基化物可具有W下通式：
[0化；3]打 2-14出 5-29 [ C出 C出 0]品，
[0054] 其中，X為5至9的整數，例如，5、7或9。
[0055] 在一個實施方式中，表面活性劑具有下式：
[0化6]
[0057]其中，X為5至9的整數，例如5、7或9,優選為5。運種表面活性劑的合適的實例包括 W商標名Tergitol 15-S出售的那些產品，諸如Tergitol 15-S-5、Tergitol 15-S-7和 Tergitol 15-S-9〇
[005引不希望受到任何理論的束縛，醇乙氧基化物（例如，如上所述的仲醇乙氧基化物） 可用于改善裡硫電池的放電容量和/或循環效率。據發現，包含運種表面活性劑的電解質能 夠更有效地潤濕例如聚丙締和/或聚乙締形成的隔膜。進而可改善電池的電化學性能。在一 些實施方式中，當電解質包括諷溶劑，例如環下諷時，效果是尤其顯著的。環下諷典型地是 粘稠的，并且不太能有效地潤濕電池的隔膜。然而，當醇乙氧基化物分散在諷(例如環下諷） 溶劑中時，可大大改善溶劑的潤濕能力。
[0化9] 優選地，電解質中表面活性劑的濃度為0.5wt %至3wt %，更優選為1.25wt %至 2.25wt%，例如為1.75wt%。在一個實施方式中，電解質中表面活性劑的濃度為0.75wt%。
[0060] 優選地，相對于隔膜的重量，表面活性劑W3wt%至35wt%、更優選5wt%至 20wt %，例如1 Owt %至15wt %的量存在。
[0061] 在一個實施方式中，電解質包括至少一種裡鹽和至少一種有機溶劑；W及表面活 性劑;其中，電解質中表面活性劑的濃度為0.5wt %至3wt %。
[0062] 該隔膜可包括任何合適的允許離子在電池電極之間移動的多孔基材。該隔膜應設 置在電極之間W防止電極之間的直接接觸。基材的孔隙率應為至少30%，優選至少50%，例 如，大于60%。優選地，隔膜的孔隙率為40%至60%，更優選45%至55%，例如50%。合適的 隔膜包括由聚合物材料形成的網狀物。合適的聚合物包括聚丙締、尼龍和聚乙締。特別優選 無紡聚丙締。可W使用多層隔膜。
[0063] 優選地，隔膜選自無紡聚丙締和聚乙締。
[0064] 優選地，隔膜的滲透度小于300葛爾萊(Gurley),更優選小于250葛爾萊，例如200 葛爾萊。
[0065] 隔膜優選地沒有含表面活性劑的涂層。例如，隔膜可沒有含有至少一種表面活性 劑的涂層，該至少一種表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基酸、硅氧烷乙二 醇、咪挫嘟、聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋、和聚氧乙締壬基苯基酸，W及它們的混合物。
[0066] 如上所討論，根據本發明的一個方面，提供了一種生產本文中所限定的裡硫電池 的方法，所述方法包括:將電解質并入到電池組件中，所述電解質包括至少一種裡鹽、至少 一種有機溶劑和表面活性劑，所述電池組件包括陽極、陰極和多孔隔膜，所述陽極包括裡金 屬或裡金屬合金，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物。
[0067] 在本發明的優選實施方式中，通過將電解質涂覆在陰極上來將電解質引入到電池 組件中，將隔膜放置在經涂覆的陰極上W及將陽極放置在隔膜上。該涂覆步驟可W W任何 合適的方式進行，例如，通過將電解質噴涂、擠延、誘注和/或鋪設到活性硫材料上。
[0068] 或者，可生產電池組件，所述電池組件包括陽極、陰極、多孔隔膜W及后續引入到 電池組件中的電解質，所述陽極包括裡金屬或裡金屬合金，所述陰極包括電活性硫材料和 固體導電材料的混合物，所述電解質包括至少一種裡鹽和至少一種有機溶劑；W及表面活 性劑。
[0069] 在電解質引入到電池組件之后，可將電池密封在例如殼體中。該殼體可為防水和/ 或氣密的。合適的殼體包括袋狀物(pouches)。
[0070] 優選地，陽極為金屬錐電極，諸如裡錐電極。
[0071] 電化學電池的陰極包括電活性硫材料和導電材料的混合物。該混合物形成電活性 層，其可設置為與集流體接觸。
[0072] 上述電活性硫材料可包括單質硫、硫類有機化合物、硫類無機化合物和含硫聚合 物。優選使用單質硫。
[0073] 上述固體導電性材料可W是任何合適的導電材料。優選地，該固體導電材料可由 碳形成。實例包括炭黑、碳纖維、石墨締和碳納米管。其它合適的材料包括金屬(例如薄片、 碎屑和粉末）W及導電聚合物。優選使用炭黑。
[0074] 電解質包括至少一種裡鹽、至少一種有機溶劑W及表面活性劑。合適的裡鹽包括 六氣憐酸裡化iPFs)、六氣神酸裡化iAsFs)、高氯酸裡化iCl〇4)、S氣甲橫酷亞胺裡化iN (C的S〇2)2))、四氣棚酸裡、S氣甲橫酸裡(CF3S化11)^及二草酸棚酸裡化18侶〇4)2)中的至 少一種。優選地，裡鹽為=氣甲橫酸裡。
[0075] 在電解質中使用的合適的有機溶劑是四氨巧喃、2-甲基四氨巧喃、碳酸二甲醋、碳 酸二乙醋、碳酸甲乙醋、碳酸甲丙醋、丙酸甲丙醋、丙酸乙丙醋、乙酸甲醋、二甲氧基乙燒、1， 3-二氧戊環、二甘醇二甲酸(2-甲氧基乙酸）、四甘醇二甲酸、碳酸亞乙醋、碳酸亞丙醋、丫-下內醋、二氧戊環、六甲基憐酷胺、化晚、二甲亞諷、憐酸S下醋、憐酸S甲醋、N，N，N，N-四乙 基橫酷胺和諷，W及它們的混合物。優選地，上述有機溶劑為諷或諷的混合物。諷的實例為 二甲基諷和環下諷。環下諷可作為唯一的溶劑使用或例如與其它諷組合使用。
[0076] 在電解質中使用的有機溶劑應能夠溶解在電池放電過程中電活性硫材料還原時 形成的多硫化物物質，例如，式S戶的多硫化物物質，其中n = 2至12。
[0077] 在一個實施方式中，電解質包括=氣甲橫酸裡和環下諷。
[007引電解質中裡鹽的濃度優選地為0.1 M至5M，更選0.5M至3M，例如IM。裡鹽優選地W飽 和濃度的至少70%、優選至少80%、更優選至少90%，例如95%至99%的濃度存在。
[0079]優選地，表面活性劑為非離子表面活性劑。合適的表面活性劑包括長鏈醇(諸如脂 肪醇、嫁蠟醇、硬脂醇、嫁蠟硬脂醇和油醇）；醇乙氧基化物（例如，Tergitol 15-S-5、 Tergitol 15-S-7和Te巧itol 15-S-9);聚氧乙締乙二醇烷基酸（Brij),例如，八乙二醇單 十二烷基酸和五乙二醇單十二烷基酸;聚丙二醇烷基酸;葡糖巧烷基酸，例如，癸基葡糖巧、 月桂基葡糖巧和辛基葡糖巧；聚乙二醇辛基酪酸，例如，Triton X-100;聚氧乙二醇烷基酪 酸，例如，壬苯醇酸(nonxynol-9);甘油烷基醋，例如，月桂酸甘油醋；聚氧乙締二醇山梨糖 醇烷基醋，山梨醇酢烷基醋，挪油酷胺MEA，挪油酷胺DEA，十二烷基環氧乙燒，聚乙二醇和聚 丙二醇（泊洛沙姆）的嵌段共聚物W及聚乙氧基牛脂胺(POEA)。優選地，表面活性劑不含有 氣。優選地，表面活性劑不是下式表示的氣基表面活性劑：
[0080]
[0081] 其中，R為氨、乙酷基、甲基或苯甲酯基;并且m和n為2至20的整數。
[0082] 優選地，表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基酸、硅氧烷乙二醇、 咪挫嘟、聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋、和聚氧乙締壬基苯基酸，W及它們的混合物。在一 個實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物、聚乙二醇烷基酸(例如聚乙二醇十二烷基酸） 或聚氧乙締烷基酸(例如聚氧乙締油基酸或聚氧乙締月桂基酸）。
[0083] 在優選的實施方式中，表面活性劑為醇乙氧基化物。一個實例為2-十二烷氧基乙 醇(2-dodecoxyethanol)(化ij-30)。其它實例包括仲醇乙氧基化物。例如，仲醇乙氧基化物 可具有W下通式：
[0084] 打 2-14出 5-29 [ C出 C出 0]品，
[0085] 其，中X為5至9的整數，例如，5、7或9。
[0086] 在一個實施方式中，表面活性劑具有下式：
[0087]
[008引其中，X為5至9的整數，例如5、7或9,優選為5。運種表面活性劑的合適的實例包括 W商標名Te巧itol 15-S出售的那些產品，諸如Te巧itol 15-S-5(x = 5)、Tergitol 15-S-7 (x = 7)和 Te 巧 itol 15-S-9(x = 9)。
[0089] 不希望受到任何理論的束縛，醇乙氧基化物（例如，如上所述的仲醇乙氧基化物） 可用于改善裡硫電池的放電容量和/或循環效率。據發現，包含運種表面活性劑的電解質能 夠更有效地潤濕例如聚丙締和/或聚乙締形成的隔膜。進而可改善電池的電化學性能。在一 些實施方式中，當電解質包括諷溶劑，例如環下諷時，效果是尤其顯著的。環下諷典型地是 粘稠的，并且不太能有效地潤濕電池的隔膜。然而，當醇乙氧基化物分散在諷(例如環下諷） 溶劑中時，可大大改善溶劑的潤濕能力。
[0090] 優選地，電解質中表面活性劑的濃度為0.75wt %至3wt %，更優選為1.25wt %至 2.25*1%，例如為1.75*1%。
[00川優選地，相對于隔膜的重量，表面活性劑W3wt%至35wt%、更優選5wt%至 20wt %，例如1 Owt %至15wt %的量存在。
[0092] 在一個實施方式中，電解質包括至少一種裡鹽和至少一種有機溶劑；W及表面活 性劑;其中，電解質中表面活性劑的濃度為0.5wt %至3wt %。
[0093] 該隔膜可包括任何合適的允許離子在電池電極之間移動的多孔基材。該隔膜應設 置在電極之間W防止電極之間的直接接觸。基材的孔隙率應為至少30%，優選至少50%，例 如，大于60%。優選地，隔膜的孔隙率為40%至60%，更優選45%至55%，例如50%。合適的 隔膜包括由聚合物材料形成的網狀物。合適的聚合物包括聚丙締、尼龍和聚乙締。特別優選 無紡聚丙締。可W使用多層隔膜。
[0094] 優選地，隔膜選自無紡聚丙締和聚乙締。
[00M]優選地，隔膜的滲透度小于300葛爾萊，更優選小于250葛爾萊，例如200葛爾萊。
[0096] 隔膜優選地沒有含表面活性劑的涂層。例如，隔膜可缺乏含有至少一種表面活性 劑的涂層，該至少一種表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二醇十二烷基酸、硅氧烷乙二 醇、咪挫嘟、聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋和聚氧乙締壬基苯基酸，W及它們的混合物。
【具體實施方式】
[0097] 實施例 [009引實施例1
[0099] 在實施例中，在若干次循環下，測量兩個裡硫電池的充電容量和放電容量。利用裡 陽極和正電極組裝電極，其中，正電極包括70%的硫、10%的碳黑和20%的聚乙締氧化物 (PEO)。每個電池還分別包括：
[0100] (i)Celgard 3501隔膜(涂覆有表面活性劑）和電解質，該電解質由環下諷中的IM =氣甲橫酸裡(triflate)組成(不包括加入的表面活性劑）。
[0101] (ii)Toray V20CFD隔膜(未涂覆表面活性劑)和電解質，該電解質為包括加入的表 面活性劑的上述(i)的電解質。加入的表面活性劑為咪挫嘟和聚乙二醇。
[0102] 由圖1可W看出，電池 Q)的充電容量和放電容量降低的速率均大于電池 Qi)的充 電容量和放電容量的降低速率。電池 (i i)含有包括加入的表面活性劑的電解質。
[0…引實施例2
[0104] 在該實施例中，在若干次循環下，測量根據本發明的各個裡硫電池的放電容量。運 些電池分別包括：
[0105] (i)Celgard 2500隔膜(未涂覆表面活性劑)和環下諷中IM立氣甲橫酸裡的電解質 (在其中，加入有Te巧itol 15-S-5作為表面活性劑）。
[0106] (ii)Toray V20CFD隔膜(未涂覆表面活性劑）和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質(在其中，加入有Tergito 1 15-S-5作為表面活性劑）。
[0107] (iii)Celgard EM2000隔膜(未涂覆表面活性劑)和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電 解質(在其中，加入有Tergitol 15-S-5作為表面活性劑）
[0108] 在若干次循環下，還測量包括Celgard 3501隔膜(涂覆有表面活性劑)和環下諷中 IM=氣甲橫酸裡的電解質（不包括表面活性劑）的電池的放電容量。在各個電池中，每種電 解質中的表面活性劑的濃度約為2wt%。
[0109] 在圖2中示出了該結果。由圖2可W看出，與包括Celgard 3501隔膜的電池相比，電 池(i)至電池 (i i i)的放電容量的降低速率較低。
[0"0] 實施例3
[0111]在該實施例中，使若干個裡硫電池進行在其組裝后的約24小時中進行預循環(在 標準條件下循環，直至它們的容量發展至其全值），其中，運些裡硫電池在環下諷中的IM= 氣甲橫酸裡的電解質中含有不同的表面活性劑(Tergitol 15-S-5)濃度。在預循環之后，測 量第一次放電容量。在預循環之后，還測量參比電池的放電容量，其中，該參比電池包括 Celgard 3501隔膜(具有表面活性劑涂層)和環下諷中的IM立氣甲橫酸裡的電解質。
[0112] 從表1可W看出，在低于0.5wt%的表面活性劑濃度下，在預循環后，電阻過高，而 放電容量過低。
[0113] 表1
[0114]
[01巧]實施例4
[0116] 在該實施例中，在若干次循環下，測量根據本發明的各種裡硫電池的放電容量。運 些電池分別包括：
[0117] (i)Toray V20C抑隔膜(未涂覆表面活性劑)和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解質 (在其中，加入有Te巧itol 15-S-5作為表面活性劑）。
[0118] (ii)Toray V20CFD隔膜(未涂覆表面活性劑）和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質(在其中，加入有4-n-p-p乙二醇(4-壬基苯基-聚乙二醇)作為表面活性劑）。
[0119] 在每種電池中，各種電解質中的表面活性劑的濃度約為%。
[0120] 上述電池(i)具有最高的放電容量。
[0。。實施例5
[0122] 在該實施例中，在若干循環中，測量各種裡硫電池的放電容量。運些電池分別包 括：
[0123] (i)Celgard 2500隔膜（涂覆有表面活性劑）和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質。
[0124] (ii)Toray V20CFD隔膜(未涂覆表面活性劑）和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質（在其中，加入有Tergitol 15-S-5作為表面活性劑）。電解質中表面活性劑的濃度為 2.23wt% O
[0125] (iii)Toray V20C抑隔膜(未涂覆表面活性劑)和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質（在其中，加入有化ij30(2-十二烷氧基乙醇)作為表面活性劑）。電解質中表面活性劑的 濃度為2.23wt%。
[01%] (iv)Toray V20CFD隔膜(未涂覆表面活性劑）和環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解 質（在其中，加入有吐溫40(聚氧乙締山梨醇酢單棟桐酸醋)作為表面活性劑）。電解質中表 面活性劑的濃度為2.23wt%。
[0127]結果示出在圖3中。從圖3中可W看出，對于包括醇乙氧基化物作為表面活性劑的 電池 (i i)和電池 (i i i)，放電容量的降低速率較低。
[012引 實施例6
[0129] 在該實施例中，在若干循環中，測量各種裡硫電池的放電容量。運些電池分別包 括：
[0130] (i)包括環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解質。
[0131] (ii)包括環下諷中IMS氣甲橫酸裡的電解質（在其中，加入有Tergitoll5-S-5作 為表面活性劑）。電解質中表面活性劑的濃度為1.5wt %。
[0132] (iii)包括甲基戊二臘（MGN)中IMS氣甲橫酸裡的電解質（在其中，加入有 Tergitol 15-S-5作為表面活性劑）。電解質中表面活性劑的濃度為1.5wt%。
[0133] 上述電池（i)未發生循環。電池（ii)和電池（iii)發生循環。但是，由圖4可W看出， 電池（ii)的放電特性優于電池(iii)的放電特性。據認為，運是由于醇乙氧基化物表面活性 劑與環下諷之間的協同效應。
【主權項】
1. 一種用于鋰硫電池的電解質，所述電解質包括： 至少一種鋰鹽和至少一種有機溶劑；以及 表面活性劑，其中，所述電解質中表面活性劑的濃度為0.5wt %至3wt %。2. 根據權利要求1所述的電解質，其中，所述溶劑選自四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、碳酸 二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、丙酸甲丙酯、丙酸乙丙酯、乙酸甲酯、二甲氧 基乙烷、1，3_二氧戊環、二甘醇二甲醚(2-甲氧基乙醚）、四甘醇二甲醚、碳酸亞乙酯、碳酸亞 丙酯、γ-丁內酯、二氧戊環、六甲基磷酰胺、吡啶、二甲亞砜、磷酸三丁酯、磷酸三甲酯、N，N， N，N-四乙基磺酰胺和砜，以及它們的混合物。3. 根據權利要求1或2所述的電解質，其中，所述表面活性劑為非離子表面活性劑。4. 根據權利要求3所述的電解質，其中，所述表面活性劑選自仲醇乙氧基化物、四乙二 醇十二烷基醚、硅氧烷乙二醇、咪唑啉、聚氧乙烯山梨醇酐單棕櫚酸酯和聚氧乙烯壬基苯基 醚，以及它們的混合物。5. 根據權利要求4所述的電解質，其中，所述至少一種鋰鹽選自六氟磷酸鋰(LiPF6)、六 氟砷酸鋰(LiAsF 6)、高氯酸鋰(LiCl〇4)、三氟甲磺酰亞胺鋰(LiN(CF3S02) 2))、四氟硼酸鋰、三 氟甲磺酸鋰(CF3S03Li)以及二草酸硼酸鋰(LiB(C 2〇4)2)。6. 根據前述權利要求中任一項所述的電解質，其中，所述電解質中表面活性劑的濃度 為0 · 75wt% 至3 · Owt%。7. -種鋰硫電池，所述鋰硫電池包括： 陽極，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金； 陰極，所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物； 多孔隔膜；以及 電解質，所述電解質包括至少一種鋰鹽、至少一種有機溶劑和表面活性劑。8. 根據權利要求7所述的電池，其中，所述隔膜包括由聚合物材料形成的網狀物。9. 根據權利要求8所述的電池，其中，所述聚合物材料選自聚丙烯、尼龍和聚乙烯，或它 們的組合。10. 根據權利要求7至9中任一項所述的電池，其中，所述隔膜的孔隙率為40%至60%。11. 根據權利要求7至10中任一項所述的電池，其中，所述隔膜的滲透度小于300葛爾 萊。12. 根據權利要求8至11中任一項所述的電池，其中，相對于所述隔膜的重量，所述表面 活性劑以3wt%至35wt%的量存在。13. 根據權利要求7至12中任一項所述的電池，其中，所述電解質為權利要求1至6中任 一項所限定的電解質。14. 根據權利要求13所述的電池，其中，所述表面活性劑為仲醇乙氧基化物，所述仲醇 乙氧基化物可具有通式:Cl2-14H25-29 [ CH2CH2O ] xH， 其中，x為5至9的整數，例如，5、7或9;并且所述電解質包括砜作為有機溶劑。15. 根據權利要求14所述的電池，其中，所述砜為環丁砜。16. -種用于生產如權利要求7至15中任一項所述的鋰硫電池的方法，所述方法包括： 將電解質引入到電池組件中，所述電解質包括至少一種鋰鹽、至少一種有機溶劑和表 面活性劑，所述電池組件包括陽極、陰極和多孔隔膜，所述陽極包括鋰金屬或鋰金屬合金， 所述陰極包括電活性硫材料和固體導電材料的混合物。17.根據權利要求16所述的方法，所述方法包括將所述電解質涂覆在所述陰極上，將所 述隔膜放置在經涂覆的所述陰極上，并且將所述陽極放置在所述隔膜上。
【文檔編號】H01M10/052GK105830259SQ201480069478
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2014年12月16日
【發明人】阿甘他·B·斯威爾泰克
【申請人】奧克斯能源有限公司