精氨酸在锂硫电池电解液中的应用、电解液及锂硫电池

本发明涉及锂硫电池储能，具体涉及精氨酸在锂硫电池电解液中的应用、电解液及锂硫电池。

背景技术：

1、锂硫电池因其高的理论比容量(1675mah/g)和理论能量密度(2600wh/kg)，以及硫的本征优势(价格低廉、储量丰富和环境友好)，被认为是最具发展潜力的下一代储能二次电池体系之一。

2、然而，目前锂硫电池存在如下技术问题：

3、(1)硫在放电过程中，会生成高浓度可溶解于常规醚类电解液的中间产物多硫化锂，从而造成活性物质流失，使电池循环性能恶化。

4、(2)在充电过程中，正极生成的可溶性长链多硫化锂在浓度梯度力和电场力的作用下，会在正负极之间往复运动，形成穿梭效应。该效应会腐蚀金属锂负极，导致电池效率降低和自放电行为，严重时甚至会造成电池无法充电至截止电压影响正常工作。

5、因此，多硫化锂的大量溶解流失以及穿梭效应的产生导致了锂硫电池差的电化学性能，阻碍了锂硫电池商业化发展和应用。

6、为解决上述问题，科研人员做了大量研究工作，如设计合成各种纳米结构的碳材料、导电聚合物、金属氧化物/硫化物/氮化物等作为硫的载体材料或隔膜涂层材料，利用其对多硫化锂的物理或化学吸附作用来降低多硫化锂的流失，从而抑制穿梭效应，达到改善电池电性能的目的。相比于复杂精细的材料结构设计而言，对电解液进行改性是更为简单和利于商业化推广的策略。

7、专利cn112768766公开了一种在电解液中添加金属酞菁化合物添加剂改善锂硫电池电性能的方法；专利cn108336405公开了一种功能型电解液添加剂3-甲基-1,4,2-二恶唑-5-酮提升电池循环稳定性的方法；专利cn110993902公开了一种带正电有机小分子的正极添加剂([h2pbd]2+·2[no3]-)，利用其与多硫化锂的静电吸附作用抑制穿梭效应，但添加剂含量较高，为正极总质量的5-10wt％，且初始可逆比容量较低，约为800mah/g，大幅削减了电池的能量密度。上述添加剂存在毒性大、合成复杂或用量高等特性，不利于锂硫电池的推广应用。

8、因此，基于锂硫电池电解液在添加剂改进方面仍然存在的问题，有必要开发一种作用效果良好、低廉环保且用量较少的添加剂。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：开发一种锂硫电池电解液，以更好地解决锂硫电池的活性物质流失以及穿梭效应，从而提高锂硫电池性能的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、精氨酸在锂硫电池电解液中的应用，精氨酸作为锂硫电池电解液的功能性添加剂，电解液的溶剂为醚类溶剂。

4、本发明优选一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，包括精氨酸和醚类溶剂，所述精氨酸的添加量为锂硫电池电解液总质量的0.5～5wt％。

5、本发明将精氨酸直接应用于锂硫电池的电解液中，在锂硫电池首圈放电过程中，利用精氨酸中的氨基与多硫化锂之间的氢键作用，可生成不溶解于电解液的沉淀物，此沉淀物为吸附有长链多硫化锂的精氨酸，同时，该沉淀物覆盖于正极表面可充当保护层减少多硫化锂从正极侧溶出，进而降低穿梭效应，减轻金属锂负极腐蚀，显著提升电池循环寿命；此外，该保护层还具有保液能力，将浸润进正极材料的电解液尽可能地固定在里面，减少电解液的流失，从而降低电解液的用量，提高电池的能量密度。而且，此添加剂环保无污染，整个制备方法简单且易于大规模生产，易于实现工业化推广和应用。

6、本发明优选一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，还包括醚类溶剂和锂盐，所述醚类溶剂为1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚，且1,3-二氧戊环与乙二醇二甲醚的体积比为1：(0.8～1.2)。

7、本发明优选一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和硝酸锂中的一种或两种混合，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂化学简写为litfsi，所述硝酸锂化学式为lino3。

8、优选地，所述锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂和硝酸锂混合，所述双三氟甲烷磺酰亚胺锂在锂硫电池电解液中的摩尔浓度为0.5～2.0mol/l，所述硝酸锂在锂硫电池电解液中的质量浓度为1～5wt％。

9、一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液的制备方法，用于制备上述锂硫电池电解液，包括如下步骤：

10、步骤1：将1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚按照一定体积比(1：(0.8～1.2))混合均匀，随后加入一定浓度的锂盐，所述锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂和硝酸锂中的一种或两种，搅拌均匀得到澄清透明溶液。

11、步骤2：将精氨酸加入步骤1中的澄清透明溶液中，再强烈搅拌一定时间，直至精氨酸完全溶解，得到含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液。

12、一种锂硫电池，包括正极材料、隔膜和负极材料，还包括上述锂硫电池电解液，硫载量为1～8mg/cm2，所述正极材料为科琴黑/硫复合材料，正极极片直径为8mm，所述隔膜为celgard-2400；所述负极材料为金属锂片。

13、优选地，所述锂金属片厚度为50～100μm，直径为14～16mm。

14、优选地，所述celgard-2400直径为18～20mm，厚度为23～27μm。

15、本发明具有如下的优点和有益效果：

16、1、本发明以低成本、环保无毒的精氨酸为锂硫电池电解液的添加剂，精氨酸溶解于醚类溶剂中，一方面，在电池放电过程中，精氨酸与可溶性多硫化锂发生氢键作用，生成不溶解于电解液的沉淀物覆盖于正极表面，从而阻挡多硫化锂的溶出；另一方面，该保护层还具有保液能力，将浸润进正极材料的电解液尽可能地固定在里面，减少电解液的流失，从而降低电解液的用量，提高电池的能量密度，改善电池电化学性能。

17、2、本发明通过对电解液的改进并与其他物质和参数的配合，此锂硫电池在硫载量为8.0mg/cm2时，电池的初始面容量可达8.9mah/cm2，历经100圈循环后，面容量仍保有为5.6mah/cm2，此数值高于目前商业化锂离子对于面容量的要求(4mah/cm2)，在高硫载量下，该电解液使得电池实现了稳定循环；此外，本发明的锂硫电池还兼具良好的倍率性能，在硫载量为3.2mg/cm2时，电池在1c的倍率下，可逆容量为650mah/g。

18、3、本发明提供的精氨酸作为电解液添加剂用于锂硫电池的技术方案操作简单易行，不需要设计和合成复杂的材料，不会产生污染性及有毒性气体，符合环保标准，且不涉及高温高压反应，安全可控，符合安全标准；此外，本发明具有工业化应用的特性，在锂硫电池领域具有良好的商业化应用前景。

技术特征：

1.精氨酸在锂硫电池电解液中的应用，其特征在于，精氨酸作为锂硫电池电解液的功能性添加剂，电解液的溶剂为醚类溶剂。

2.一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，包括醚类溶剂和如权利要求1所述的精氨酸。

3.根据权利要求2所述的一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，所述精氨酸的添加量为锂硫电池电解液总质量的0.5～5wt％。

4.根据权利要求2或3所述的一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，还包括醚类溶剂和锂盐。

5.根据权利要求4所述的一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，所述醚类溶剂为1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚，且1,3-二氧戊环与乙二醇二甲醚的体积比为1：(0.8～1.2)。

6.根据权利要求4所述的一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，其特征在于，所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和硝酸锂中的一种或两种混合。

7.一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求2-6任一项所述的锂硫电池电解液，包括如下步骤：

8.一种锂硫电池，包括正极材料、隔膜和负极材料，其特征在于，还包括权利要求2-6任一项所述的锂硫电池电解液或者权利要求7所述的制备方法制备得到的锂硫电池电解液。

9.根据权利要求8所述的锂硫电池，其特征在于，硫载量为1～8mg/cm2。

10.根据权利要求8或9所述的锂硫电池，其特征在于，所述正极材料为科琴黑/硫复合材料，所述隔膜为celgard-2400；所述负极材料为金属锂片。

技术总结
本发明公开了精氨酸在锂硫电池电解液中的应用、电解液及锂硫电池，属于锂硫电池储能技术领域，以更好地解决锂硫电池的活性物质流失以及穿梭效应，从而提高锂硫电池性能的问题。本发明公开精氨酸在锂硫电池电解液中的应用，精氨酸作为锂硫电池电解液的功能性添加剂，电解液的溶剂为醚类溶剂，一种含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液，包括醚类溶剂、锂盐和精氨酸，一种锂硫电池，包括含精氨酸添加剂的锂硫电池电解液、正极材料、隔膜和负极材料。本发明具有方法简单、硫载量高、电解液用量少、电池性能好且安全环保等优点。

技术研发人员：陈雪,罗永毅,徐杨帆,欧阳全胜,孙皓,蒋光辉,葛建华,胡敏艺,李真
受保护的技术使用者：贵州轻工职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15