第6卷第3期 2017年5月 储能科学与技术 、厂01.6 No.3 May2017 Energy Storage Science and Technology 高比能锂硫电池功能电解质材料 王丽莉 ,叶玉胜 ,钱骥 , 李丽 ,一,吴锋 ,陈人杰 , ( 北京理工大学材料学院,北京100081; 北京电动车辆协同创新中心,北京100081) 摘要:锂硫电池具有能量密度高、单质硫来源广泛和环境友好等优势,是新型二次电池未来发展的方向之一。 作为锂硫电池中的重要组成部分,功能电解质材料的物性特征与电池的整体性能密切相关。在当前电解质材料 的研究中,还存在许多关键技术难题,如多硫化物溶解于锂硫电池电解质中所引起的穿梭效应,会导致锂硫电 池库仑效率低、容量衰减快和自放电严重等问题。本文综述了面向锂硫电池应用的新型功能电解质材料的研究 进展:①有机液体电解质中有机溶剂组分、锂盐和添加剂的优化改性对锂硫电池性能的影响;②离子液体电解 质对多硫化物扩散的阻碍作用;③固态/半固态电解质对穿梭效应的抑制,并展望了锂硫电池用功能电解质材料 的未来发展方向。 关键词:锂硫电池;有机液体电解质;离子液体;固态电解质;半固态电解质 doi:10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0032 中图分类号:TM 911 文献标志码:A 文章编号:2095.4239(2017)03.451.13 Functional electrolytes for high specific energy lithium sulfur batteries WANGLili ,YE Yusheng ,QIANJi ,LILi ,WUFeng ,一,CHENRenjie , ( School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 1 0008 1,China;。Collaborative Innovation Center ofElectric Vehicles in Beijing,Beijing 100081,China) Abstract:Currently lithium sulfur(Li—S、batteries are recognized as the most promising novel secondary battery candidates due to their high energy density,abundant sulfur and environment benign. The functional electrolyte is a major component of Li.S batteries.which physical property characteristics are closely related to the electrochemical performance of Li—S batteries.Nevertheless. its development is restricted by some key technologies.The polysulfides dissolve into electrolytes and cause the consequent shuttle phenomenon.resulting in lOW coulombic efficiency,fast capacity fade and serious self-discharge of Li.S batteries.This paDer reviews the recent research progress for these problems of the electrolytes for Li—S batteries.(1)the modiicattion and optimization of the solvent components.1ithium salts and additives of the organic liquid electrolytes to improve the performance of Li—S batteries,( the effect on polysulifdes dissolution by ionic liquid electrolytes,and⑧the suppression of the shuttle effects by(semi.、solid—state electrolytes.Finally,the future research trends of the unctfional electrolytes for Li—S electroltes yare proposed. Kev words:lithium suIurf batteries;organic liquid electroltes;iyonic liquids;solid state electroltes;y semi—solid electrolytes 锂硫电池[ 因其具有高能量密度的优点成为新 物;随着还原反应的进一步进行,可溶性的多硫化 一代高比能锂二次电池研究的热点。其具有特殊的 物最后转化为Li2S2和Li2S。放电过程主要包括两 电化学工作原理[ :在锂硫电池放电过程中,单质 个步骤,分别对应两个放电平台:2.4~2.1 V的高 硫S8在电解液中逐渐与锂反应,生成可溶性多硫化 收稿日期:2017—03.27;修改稿日期:2017—04 13。 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB0100204),国家自然科学 基金项目(21373028)。 放电平台对应环状的s8还原生成长链多硫产物s:一 (4≤n≤8);2.1~1.8 V的低放电平台对应长链多硫 产物进一步还原成短链多硫化物,并最终转化为 Li2S2和Li2s;其中,第二个平台是锂硫电池的主要 放电区域,理论上该平台的放电容量约占所有放电 容量的3/4。 第一作者:王丽莉(199l一),女,博士研究生,主要研究方向为锂硫电 池电解质,E.mail:lilywang8991@163.com;通讯联系人:陈人杰,教授, 主要研究方向为新能源材料与功能器件,E.mail:chenrj@bit.edu.ca。 452 储能科学与技术 2017年第6卷 黏度增大,降低活性物质利用率。因此实现多硫化 物在电解质中溶解度的平衡、抑制多硫化物穿梭效 应成为提升锂硫电池性能的关键技术问题之一。 本文综述了近年来锂硫电池用功能电解质材料 的发展现状。丰要包括有机液体电解质,涉及溶剂 组分、锂盐和添加剂的选择、离子液体电解质,同 态/半固态电解质;对不同特性的功能电解质材料的 capacity/mA。h‘g 图1锂硫电池充放电平台示意图 I Fig.1 Schematic and charge/discharge profile of a Li—S celll l 优缺点进行了比较,并对未来可实用化的电解质材 料进行了展望。 1 有机液体电解质 对于应用于锂硫电池的有机液体电解质,除了 电解质材料作为锂硫电池中的重要组成部分, 不仅起着连接硫正极和金属锂负极的桥梁作用,还 考虑其挥发性、热稳定性和与电极材料的界叫兼容 在电池内部承担着传递电荷的作用。在锂硫电池中, 性等问题,还需重点评价如 卜特性 …:适宜的多 理想的电解质除了需要满足基本的物性特征要求, 硫化物溶解度,与锂负极和多硫化物间良好的化学 如高的离子电导率、良好的电化学稳定性、宽的电 稳定性,黏度等。 化学窗口等,还需要对多硫化物和锂负极起到良好 1.1 有机溶剂 的化学稳定性作用O-41。 在锂硫电池常用的有机溶剂中,通常具有链状 目前,锂硫电池电解质而临的主要问题是多硫 或环状结构的醚类溶剂都具有高的多硫化物溶解 化物溶解于电解质中,溶解的多硫化物在电极之间 度,可以提高活性物质的利用率;但山于不 组分 往返移动并不断被氧化还原,引起金属锂负极的腐 多硫化物的物性差异,单一溶剂体系还难以 时满 蚀,降低了电池的库仑效率。在充电后期,由于电 足对多硫化物有良好溶解度和村锂负极化学稳定的 极之问存在理论上的化学电位和浓度的差异,在电 要求,因此在实际研究中选择两种或多种溶剂进行 解质中溶解的高价态的多硫离子s:一(4≤ ≤8)不 混合以获得新型电解液体系被认为是优化有机液体 可避免地扩散到锂负极表面并与之发生反应,形成 电解质的有效办法。 低价态的多硫离子,随后其义回到正极表面被氧化 乙二醇二甲醚(DME)和1,3一一二氧戊环(DOL) 成高价态的多硫离子 √J。多硫化物在电极之问如此 是锂硫电池研究中常用的醚类溶剂 J,线性DME 反复穿梭和反应所形成的穿梭效应(图2)对锂硫 可提供较高的多硫化物溶解度和较快的多硫化物反 电池的性能造成明显的负面影响 J,但另一方面, 应动力学,环状DOL在锂表面易形成稳定的固体 在电解质中多硫化物的适当溶解也有助于活性物质 电解质界面膜(SEI膜); 此,相对于单独使用 的有效利用,因为溶解的多硫化物可以自由移动, DME和DOL(图3),两者的结合对硫活性材料的 能确保活性物质与导电剂有良好的接触。然而,在 比容量和容量保持率的提升有着协同促进作刖ll3l。 电池体系中如果过量的多硫化物溶解_j_ 电解质中将 —— 会引起其它严重的问题,主要包括:溶解的多硫化 物与电解质反应,消耗电解质和活性物质,导致电 池容量哀减;多硫化物的溶解度过高会引起电解质 卜—一 : {;。 .9 . ≥ .}= .奄.so.lv【DJe iINnOtsOX :j DLMiTEF SI ;“, polysulphides(PS): s}. Li:S Li—metal electrolyte SIC composite 图3 以LiTFS1-DOL/DME.LiNO3为电解质的锂硫电池 图2基于液体电解质的锂硫电池穿梭效应示意图‘ I Fig.2 Schematic illustration of the polysulide shuttle feffect in a Li.S cell based on a liquid electrolyte 181 成分示意图I’。l Fig.3 Schematic of the components of a Li/S battery with LiTFSI.DOL/DME—LiNO3 electrolyte 第3期 王丽莉等:高比能锂硫电池功能电解质材料 453 ZHANG等[14-15 J将具有低熔点、高氧化电位的 有关[图4(c)],在黏度较高的电解质中,低价态的 氟化醚(1,1,2,2.四氟乙基一2,2,3,3一四氟丙醚,TTE) 多硫化物容易在硫正极表面发生钝化,从而降低多 2 6 2 4 2 2 用作锂硫电池电解质。研究发现,TTE能抑制穿梭 硫化物的利用率。 A/ 璺0 之(+l皇1)BARCHASZ等Llg-19J提出电解质溶剂化的能力 效应,提高电池的容量保持率和库仑效率[图4(a)]; 同时,由于多硫化物在氟化溶剂中的溶解度低,氟 是影响电化学性能的主要因素。在二元电解质体系 2O化溶剂在电极表面可形成SEI膜,添加了LiNO3的 中,DOL溶剂化能力弱且易发生聚合作用,因此 TTE可进一步改善电池的自放电性能[图4(b)]。 DOL在二元电解质中含量的优化决定了锂硫电池 WENG等L16J将DOL/1,1,2,2一四氟一2,2,3,3一四氟醚 性能的好坏。通过研究了一系列不同结构的醚基电 十 (D2)用作锂硫电池的电解质,该电池首周放电 解质,发现氧原子数量的增加能增强醚类溶剂的Li容量为1195 mA・h/g,经过100次循环后,库仑效 溶剂化能力,并提高锂硫电池的首周容量[图4(d)]。 率保持在96% ̄98%之间,表现出良好的电化学可 逆性。 具有蒸汽压低、离子电导率高和电化学窗口宽 等特点的碳酸酯溶剂被广泛用于锂离子电池中。然 CHANG等… 研究不同比例的TEGDME和 而在锂硫电池中,碳酸酯溶剂易与还原的可溶性多 DOL电解质的物理性质与电化学性能。由于 硫化物发生反应,减少活性物质的量,导致锂硫电 TEGDME能分解锂盐,DOL能有效地降低电解质 池容量的快速衰减 …。虽然碳酸酯溶剂与大部分的 鼍 一0A 黏度,因此该类电解质的离子电导率与两种溶剂的 硫正极不兼容,但是开发匹配小分子硫正极和硫/ 复配比例密切相关;同时研究表明,活性物质硫在 聚合物正极的碳酸酯类多元溶剂,也是优化电解质 低放电平台(2.1 V)的利用率主要与电解质的黏度 的~种途径。 capacity/mA‘h.g一 capacity/mA・h・g- (a) (b) S 黑 ; 誊遗 ’ - -:¥0/50: , ::Qn0 EGDM匣 DoXL IC : - 鲻 , I ・ : 0 l0 20 30 40 50 60 70 utilization of sulfur/% (c) (d) 图4 (a)0.1 C倍率下,以1.0 mol/LLiTFSI DOL/DME和1.0 mol/LLiTFSI DOL/TTE为电解质的锂硫电池首周充放电 曲线ll ;(b)以DOL/TTE一1.0mol/LLiTFSI+0.2mol/LLiNO3为电解质的锂硫电池第5和第6次循环的电压曲线1151; (c)以不同的TEGDME:DoXL为电解质的锂硫电池首周放电曲线117】和(d)不同溶剂中氧原子数量的首周放电容量[191 Fig.4 (a)The first charge and discharge profiles of Li-S cells with 1.0 mol・L-l LiTFSI DOL,DME and 1.0 mol・L_1 LiTFSI DoL/TTE electrolyte at 0.1 C rateIlql;(b)the 5th and 6th cycle voltage profiles for Li-S cell with DOL/TTE.1.0 mol・L-l LiTFSI+0.2 tool・L—LiNO3 electrolyteIl ;(c)first discharge profiles of Ei.S cells with TEGDME:DoXL electrolytesI” : and(d1 the first discharge capacity versus the number of oxygen atoms in varied SOlventst 454 储能科学与技术 2017年第6卷 h/g,具有较好的 XIN等 ¨以EC/DMC为电解质,以小分子硫 为锂盐的锂硫电池容量为770 mA・S/(CNT@MPC)为 极组装锂硫电池,在0.1 C 循环性能。YANG 研究发现在碳酸酯电解质中 PF6或者LiTFSI,不仅不能对锂负极提 僻 簪下放电, 放电比容量为l670 mA・h/g,循 单独使用Li 200 后, 量保持在l142 mA・h/g,高_卜以单 供保护,还会导致锂循环效率低并加快电解质分解;因此他们提出LiFSI/LiTFSI—DOL/DME舣锂盐电解 质硫为【 极的900 mA・h/g。 综_J 所述,对功能化溶剂进行设计分析有助于 质体系,在LiFSI和DOL的协同作用下,该电解质 多儿功能电解质材料的开发,从而改:辫锂硫电池的 体系能改善锂负极表面的SEI膜,提高库仑效率和 锂土rIhLL MI具有其特有 性能。但足针埘有机溶剂电解质体系的相关作用机 循环性能。上述研究表明了每利-邢还缺乏深入系统的研究,应结合原位表征技术和 的优势,单一的锂盐难以同时满足高的离了迁移宰 理沦分析方法进行理沦探讨,为溶剂的优化筛选提 和良好的电化学性能, 此将不川性能的锂盐 电 供理论支持。 1.2锂 盐 解质中进行混合,得到的 /多盐电解质体系有助于 改善锂硫电池的整体性能。 YANG等 将S@pPAN为正极、l mol/L 锂盐足电解质巾的主要成分,埘电解质的电化 ODFB( 氟草酸硼酸锉)EC—DMC.FEC为电解 学性能和安全性仃着 要影响。住锂硫电池lu解质 Li LiODFB和FEC的协同 If1常用的锂盐为 氨基锂盐,如双二氟甲基磺酸亚 质纽装为锂硫电池,归因J胺镡(LiTFSI),其具仃热稳定性高、电化学性能稳 作川,锂负极表面形成特定的SEI膜,抑制了钝枝 品的形成并提高了锂负极的循环效率[ 5(a)];使 定且氧化电位高(约5 V)等特点。 Iu.VE,IJ3Il;∽一占一 导u 2lI8ds PARK等L22 J在电解质1.0 mol/L X—DOL/DME 用该电解质,LilLi电池IJ‘以稳定循环2000 h,、r均 8%;如图5(b)所示, l C倍率 (体积比1:4)中加入 同的锂盐(x=LiPF6、 库仑效率高达98.LiTFSI、LiTf利LiBETI),并比较不同体系电解质 下放电,以S@pPAN为正极的锂硫电池的可逆容量 h/g,循环Il00 ,容量保持率为89%。 埘锂硫lU池性能的影响。循环50周后,使刚LiTFSI 为l400 mA・cycle number (b) ∞ u.《E/1 ll∞odE0 ^1石《Q噶:) 一一8‘1 上 矗 宝 古 0 宝1 臣 E 三 呈 O weight ratio of salt-・to-solvent (c) 【d) 图5 以LiODFB/EC—DMC.FEC为电解质(a)LILi电池在0.28 mA/cm 放电密度下循环100周后的Li电极和(b)锂硫 电池循环r性能 “l;(c)非水液态电解质的质量和重量的salt.to.solvent的分布图和(d)以不同的比例的LiTFSI与DOL: DME为电解质的锂硫电池循环性能 Fig.5(a)Image of Li electrode in LILi cell with 0.28 mA‘cm—after 100 cycles using LiODFB/EC-DMC—FEC electrolyte and(b)cycling performance of Li—S cell ;(c)the distribution map of non-aqueous liquid electrolytes with the weight and volume ratios of salt-to—solvent;(d)cyclic performance of Li—S cells in electrolytes with different ratios of LiTFSI to DOL: DME f1:l by volume)I I 第3期 王丽莉等:高比能锂硫电池功能电解质材料 455 当考虑到电解质的离子电导率、黏度和锂盐饱 提高锂负极的稳定性、抑制多硫化物的穿梭效应和 h.u.{、占一3BdB 盐岛 3slD 和度时,传统有机液体电解质锂盐浓度一般被限制 自放电,改善了锂硫电池的容量、循环性能和库仑 27-31】。 在1~2 mol/L范围内。在锂硫电池中,通过选择合 效率[适的锂盐并调整锂盐浓度的方法同样可以有效地提 XIONG等 研究发现,添加的双草酸硼酸锂 升锂硫电池的性能。 (LiBOB)参与锂负极表面SEI膜的形成,阻止了多 SUO等Lz5J展示了具有超高锂盐浓度和高锂离 硫化物与锂负极的反应;进一步加入多硫化物 子迁移数的solvent—in—salt(SIS)电解质[图5(a)】, (Li2S6),在金属锂负极表面得到双层SEI膜:靠近 通过调整LiTFSI在DOL/DME溶剂中的浓度达到7 电解质的部分主要是电解质的分解产物;靠近金属 mol/L时,该电解质能缓解多硫化物的溶解和抑制 锂的部分在防止锂盐LiTFSI的分解中起到重要的 锂枝晶的生成;以该电解质组装的锂硫电池循环 作用[33]o通过x射线光电子能谱(XPS)和扫描电 100周后,电池库仑效率接近100%,容量保持率为 子显微镜(SEM)分析,探讨了LiNO3和多硫化物 在锂负极表面形成多层SEI膜的机制和重要性 引。 74%[图5(d)]。 1.3添加剂 LIANG等 将五硫化磷(P2S5)加入到四乙二 醇二甲醚(TEGDME)中,发现P2S5与锂负极反应 在电解质中加入少量的功能添;DI:I ̄U(<l0%) 是改善电解质电化学性能和安全性的最经济有效的 形成致密且光滑的钝化层。通过X射线衍射(xRD) -u. r【II、^1_【基时u 0一lI釜∞ 方法之一。在锂硫电池中,为了提高电池的放电容 和拉曼分析,证实了钝化层主要是由超离子导体 量和循环稳定性,添加剂的作用应包括 ’拍J:①保 Li3PS4组成。P2S5与Li2S/Li2Sz反应,形成可溶于有 护金属锂负极;②提高可溶性多硫化物在电解质中 机溶剂的复合物,有利于避免Li2S和Li2S2的沉淀 的稳定性:③降低电解质的黏度。 并促进电化学氧化还原反应;使用添加P255的锂硫 硝酸锂(LiNO3)作为在锂硫电池中最常使用 电池循环20周后,放电容量约为900 mA・h/g,相 的添加剂,不仅能修饰电极/电解质界面,还能在锂 比于未添加PzS5的锂硫电池,循环性能明显得到改 负极表面形成稳定的SEI膜,这层保护膜能有效地 善[图6(a)]。 cycle number (a) 1 1 藿 cycle number (b) (d) 图6(a)不同P2S5含量I 和(b)不同LiODFB含量p 的电池循环性能,不同LII含量的(c)倍率性能和(d)循环性能 8】 Fig.6(a)Cycling performance ofLi-S cells with/without P2S5 psl and Co)with diferent amounts ofLiODFBp柳;(c)rate performance and(d)cycling stability performance at 0.2 C in 5 mol・L-i LiTFS1 itwhout or itwh addiiton ofLiI(0.2,or 0.5 mol・L- )『3B1 456 储能科学与技术 2017年第6卷 本课题组 也尝试将LiODFB作为添加剂加入 盐,具有较好的热稳定性和化学稳定性及良好的离 到电解质中,并研究了不同含量的LioDFB对锂硫 子导电性。目前常用的离子液体具有以下特点:高 电池循环性能的影响。如图6(b)所示,LiODFB添 热分解温度(>200℃);高离子电导率(0.1~lO 加量为2%(质量分数)时效果最佳。LiODFB的加 mS/cm):高电化学稳定性(>4V)。在锂硫电池中, 入促进了在锂负极形成富LiF的钝化层,该钝化层 离子液体对抑制多硫化物的穿梭和提高电解质热稳 不仅抑制了多硫化物的穿梭效应,而且增强了锂金 定性也具有积极作用。 属负极的稳定性,提高了锂硫电池的循环性能。同 时,我们在LiTFSI-Pyr1.2olTFSI/TEGDME(7:3, WATANABE等 研究发现,离子液体中的 [TFsAr阴离子呈现弱Lewis碱,导致其供体能力 质量比)体系的基础上,选用LiODFB作为添加剂 降低,限制多硫化物的溶解度。相对于高供体能力 对电解质进行改性 。通过观察循环后电极的表面 形貌和分析电极表面物质成分,证实了LiODFB具 有良好的成膜性能,结合理论计算对电极/电解质界 面SEI膜的反应机制和组成成分进行了分析。 YUSHIN等 在电解质中添加碘化锂(LiI)并 研究了其对锂硫电池容量、倍率性能和循环稳定性 的影响[图6(c)~(d)]。实验结果表明,在0.2 C倍率 100次循环后,电池容量保持率从未添加碘化锂的 76%增加到0.5 mol/L LiI的96%。容量保持率增加 的主要原因是碘化锂在正负两极上都形成了界面保 护层:正极的保护层避免了活性物质与有机溶剂的 接触,抑制了多硫化物的溶解;负极的保护层改善 了金属锂的表面稳定性。 SHENG等 将硝酸镧[La(NO3)3]作为添加剂 用于锂硫电池,并使用SEM、能量色散x射线荧 光光谱(EDS)和XPS对循环100周的锂负极进行 表征。研究发现在锂负极表面存在的硫化镧有利于 形成稳定的钝化复合膜,增强了锂负极表面形貌的 稳定性并提高了电池的循环稳定性。 1.4小结 优化有机液体电解质常用的方法是通过选择合 适的溶剂、锂盐或者添加剂来改善电解质的特性。 除此之外,使用二元或三元多功能的电解质也能缓 解穿梭效应和改善锂负极稳定性,从而提高活性物 质利用率和库仑效率,改善电池的循环性能。但是 有机液体电解质的沸点低,高温下使用会加快电解 质的分解,导致电池在使用过程中出现胀气现象, 存在极大的安全隐患,因此研发热稳定性好的新型 电解质材料至关重要。 2离子液体电解质 离子液体是由阴离子与阳离子结合而成的液态 的传统醚类电解质{O.98 mol/L Li[TFSA]/TEGDME}, Li2S 在低供体能力的离子液体电解质0.64 mol/L Li[TFSA]/[DEME][TFSA]中的溶解度较低。如图7(a) 所示,Li2S8在离子液体电解质中的溶解度仅是醚类 电解质的1/3。Li2S 溶解度低有助于阻碍充放电过 程中的穿梭效应,将0.64 mol/L Li[TFSA]/[DEME1 [TFSA]电解质用于锂硫电池,循环100周后,库仑 效率>97%[图7(b)]。该课题组【qiJ还发现离子液体 中的阴离子与多硫化物(s )存在竞争关系,它 们与Li2s 中Li 的作用会影响到Li2S 的溶解度。 如果阴离子对Li 的溶剂化作用比s 强,将有助于 分离Li2S ,提高s 溶解度。如图7(c)所示,在吡 咯离子液体中的阴离子根据Li2S 溶解度递增排列: 【OTf]一>[TFSA]一>【BETA]一>【FSA]一。将这一系列 的离子液体电解质用于锂硫电池中,阳离子根据初 始容量递增排列[图7(d)]:[P13] >[DEME] > [C4dmim] >[P141 >[P2225] >[PP13] ,这一顺序 与离子液体的黏度和锂离子迁移数相吻合,说明影 响电池性能的主要因素除了Li2S 的溶解度之外, 还包括离子液体本身的黏度和锂离子迁移数。 WANG等 2J证实了使用PP13TFSI基离子液体 电解质能有效抑制多硫化物穿梭(图8)。PP13TFSI 离子液体呈现弱Lewis酸,可以减小和Li 的配位能 力,因此可以控制Li2S (4≤ ≤8)在PP13TFS1电 解质中的溶解度和流动性。在PP13TFSI电解质中加 入LiNO3添加剂,使用该电解质的锂硫电池在满充 条件下放置两天未出现自放电现象。通过SEM观 察,使用PPl3TFSI为电解质的锂负极表面形成紧凑 而均匀的膜,改善了锂的局部沉积,说明PPl3TFSI 离子液体可以抑制多硫化物与锂负极的反应,缓解 电池的自放电现象。 第3期 王丽莉等:高比能锂硫电池功能电解质材料 l200 457 口 1oooo 、1.10EE 芑L上0【】BJ1u0uc0u D。 BJ TF5 ●1000 《 E E0毒Io c01苗J】L1量0uc0u 800 1ooo F 1OO 10 6 专600 -。 ,…. 78l『 J“Il ‘S Li2S#Li2S4 sulfur species (a) ●0 64mo卜I Li[TFSAlin[DEME][TFSA】discha 趸400 o 0 64mo卜I Li[TFSAJin/DEME/[TFSA】charge Li[TFSA]in FEGDME charge 40 60 80 O0 200 同0 98moI.L Li[TFSA]in FEGDME discharge 0 98mol・L Li2S2 Li2S 0 20 cycle number (b) l200 1000 800 《 乓600 &400 ;!口口a口口口口口口a口。口口口口口口口口口口口口_口口q口口。口口口口叠口口_日口一日口口口 s ^..~ 200 ~。 30 40 越B 50 口 0 10 巽 2O cycle number (e) (d) 图7(a)S8和Li2s 在不同电解质的饱和浓度和(b)匹配不同电解质的锂硫电池充放电容量14Ol;(c)S8及S8和Li2s 在不同阴离子的吡咯离子液体中的饱和浓度和(d)匹配不同电解质的锂硫电池放电容量I I Fig.7(a)Saturation concentration of Ss and Li2SⅢ,presented as the atomic concentration of sulfur,in IDEMElITFSA], 0.64 mol‘L LiITFSAI/IDEMEl【TFSAI,and 0.98 mol’L LilTFSAI/TEGDME and(b)discharge-charge capacities of Li—S cells with different electrolytes 0 ” ;(c)saturation concentrations of S8 and mixtures of S8 and LiS2(Li2SⅢ),represented in units of total atomic-S concentration in pyrrolidinium ILs with different anions,and(d)capacity of Li—S cells using IL electrolytes with different anionsI I ‘ 1 暖 图8多硫化物在PPl3TFSI离子液体溶解中的溶解和扩散示意图(a)锂硫电池循环性能;(b)首周、第10周和第ll周 充放电曲线;(c)循环10周后的锂负极界面图和(d)高倍率图1 1 Fig.8 Schematic illustration of f polysulide dissolfution and diffusion in PPIsTFSI—based solvent(a)cyclic performance and(b)charge-discharge voltage profiles of the 10“。and 11“。cycle of Li-S cells with PPI3TFSI—based electrolyte at 0.2 C,and (c)cross—section views and(d)high—magniifcation image of the cycled Li-electrodes after the 1 0th cycle with PPlsTFS!一based electrolyteI I 458 储能科学与技术 2017年第6卷 从上述研究发现,采用离子液体作为锂硫电池 的电解质可降低多硫化物的溶解和扩散能力,但是 池电极材料相容性方面还存在不足,如电化学稳定 3 固态及半固态电解质 聚合物电解质是含有高分子聚合物基质,且内 离子液体合成制备的价格较昂贵,同时其与锂硫电 3.1聚合物电解质 性、电极表面SEI膜等。为了缓解单一离子液体的 部存在离子传输的电解质 。由于良好的化学和电 不足,将其与有机溶剂混合制备二元电解质。选用 化学稳定性以及重量轻、易加工的特性,使得聚合 低黏度的有机溶剂作为共溶剂可以降低离子液体电 物电解质受到广泛关注。将其用作锂硫电池电解质 解质的黏度,提高离子电导率,从而提高活性物质 可充当物理屏障,阻碍多硫化物的扩散,从而抑制 穿梭效应和电池的自放电,进而改善锂硫电池的循 的利用率。 PARK等[221研究发现,将5%~10%(体积分数) 环性能。按照是否含有增塑剂分类,聚合物电解质 咪唑基离子液体与DOL/DME溶剂共混可以改善离 可分为全固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。 1.1全固态聚合物电解质 子液体基电解质的电导率。由于咪唑基离子液体的 3.存在,循环100周后,锂硫电池的放电容量和循环 全固态聚合物电解质是由聚合物基质和锂盐组 稳定性都得到改善。XIAO等L43]研究不同含量的Ⅳ- 成的电解质,可看作是把锂盐溶解在起支撑骨架作 甲基.Ⅳ_丁基双(三氟甲基磺酰)亚胺(Py14TFSI) 用的聚合物基质中。在全固态聚合物电解质中,常 与DOL/DME溶剂共混后对锂硫电池性能的影响。 用的聚合物基质包括:聚氧化乙烯(PEO)、聚甲基 实验结果表明,Pyl4TFSI离子液体可以改善锂硫电 丙烯酸酯(PMMA)和聚偏氟乙烯一六氟丙烯 池中锂表面SEI膜的稳定性,形成的离子液体 增强 (PVDF.HFP)等。相比于液态电解质,全固态聚合 的钝化膜有效地避免可溶性多硫化物与锂的连续反 物电解质的独特优势包括:不易挥发性,可改善电 应,从而降低锂硫电池的阻抗,减小多硫化物在锂 池内部的安全性问题,降低电池漏液的风险;化学 负极上的消耗。 (TEGDME)与离子液体Ⅳ.甲基-Ⅳ_甲氧基乙基吡咯 和电化学稳定性好;易发生形变,可改善电解质/ PEO形成的稳定复合物相比于其它的聚合物具 陈人杰课题组L4 将三(乙二醇)二甲醚 电极界面稳定性,降低界面阻抗等。 烷双(三氟磺酰亚胺)(Pyrl,2olTFSI)共混,制备 有较高的电导率,因此是目前研究较多的聚合物基 不同比例的锂硫电池电解质。研究表明,离子液体 质。而且PEO聚合物链中存在连续的氧乙烯基和极 不仅提高了该类电解质的安全性,并且可以有效抑 性基团,可以有效分解锂盐,并能与多种锂盐形成 制多硫化物的穿梭效应。使用LiTFSI一(70%,质量 络合物 。为了提高PEO基聚合物电解质的性能, 分数)Pyr1,2o1TFSI/(30%,质量分数)TEGDME 在其中加入填料,如纳米二氧化硅(SiO2)、二氧化 电解质的锂硫电池,在0.1 C倍率下首周放电比容 钛(TiO2)和二氧化锆(ZrO2)等,可降低聚合物 量为1212.8 mA・h/g,循环100周后容量仍然维持在 基质的结晶能力,因此提高PEO基聚合物电解质的 693.5 mA・h/g。与此同时,我们还研究了该类电解 离子电导 。 质的高温性能。在80℃下,使用该电解质的锂硫电 的高温性能。 SCROSATI等 以PEO2oLiCF3SO3Li2S—ZrO2为 池首周放电比容量达到1005.3 mA・h/g,表现出良好 电解质、Li2S/C为正极、锂金属为负极组装锂硫电 池,在0.05 C倍率放电,电池库仑效率接近100%。 高时,锂离子的扩散加快,电池的浓度极化减小。 综上所述,将离子液体作为锂硫电池电解质有 聚合物电解质的锂离子扩散与温度有关,当温度升 助于减缓多硫化物的溶解,然而离子液体黏度大, 这将会降低Li 的迁移速度,不利于锂硫电池电化 相比于70。C条件下,电池在90℃循环7周之后, mA・h/g,库仑效率接近100%。 学性能的提高。结合离子液体与有机溶剂的优势将 可逆容量提高到900 WEN等 以PEOl8Li(CF3SO2)2N SiO2为电解 其混合制各离子液体基电解质,能有效地提高离子 电导率和Li 的迁移速度,同时还能保持离子液体 质、S/OMCs为正极组装电池,在7O℃下以0.1 c ̄放电密度放电,电池首周放电容量为1265.5 对多硫化物溶解的抑制作用,从而改善离子液体基 mA/电解质的性能。 mA・h/g,循环25周后,电池容量保持在800 mA・h/g。 3期 ㈨ 莉等:高比能钏 硫 池功能l 解质十才料 459 虽然将个III1念柴合物电解质川丁 硫电池中能 抑制多硫化物的效 , 嘤发 卜 厄定形J义:, 能满 锂 I 池I 时避免 性,抑制 l 的形成,从而提- 、 聚介物电解质 操作而引起 的高 电导率。CHEN等 以PVDF—HFP和PMMA TEGDME电解液删箭凝胶聚合物电解质。该}U解质 的审 F离了电 牢为3.37 mS/cm,Ill化 商LJ约 的安仝 :能,fll址伞 】态聚合物电解质的离予传甘 制符聚合物电 质膜,l』J【]入1.0 mol/L LiTFSI/ 此室濉卜} 导率较低, 质的使川 求。 3.1.2凝胶柴合物I【l解质 为4.5 V。因为电池衙环・I't-fk ̄j倍率 I'lfk那优j 液体 电解质组装的钏硫lU池,这证实了凝胶聚介物 质_1丁通过物理 障1jIl碍多硫化物的扩敝。 凝胶聚合物IU解质由聚合物J. 质、增塑剂和 盐组成,』 J‘聚合物网络结构。I j’将其石作足介J 液体电解质 令…念聚合物电 质之hIj的过渡电斛 蜥分子材料 I l』J Jl入尢机填料/1 仪能增强材料 质,【太J_此凝胶聚合物的电解质 rIC也 介J 两者之 n勺力学性能,还能降低粕分 的结一\fl能 ,捉舟聚 nU。 钾侃I 池-I 使J_fJ凝胶聚俞物l乜解质足为了缓 合物}也解质n勺离厂}l! 牢。CHEN锋 解液体电解液ll】的穿梭效 , 弥补-厂仝…i PVDF—HFP和f-PMMA } 【I入介孔 化 制箭凝 态聚合物IU解质的 温r[1导率n勺/1 。 胶聚合物电解质,以该}I! 质组装J 疏IU池。如 KIM等。、” 埘比搅拌法、球 法和球 后加入 l划9(a)所示,电池的 ‘ 为1648 mA・h/g,循 l0%(质{i 分数)A1203_二种制箭力‘法埘凝胶聚合物 l00川 ,放电 j 为1 l43 mA・h/g。ZHANG等【 电解质的 响。放电【i{1线 /J 使川球 法制符的凝 胶聚合物J 解质仃4个放电 ,这说咧放}U过 50PEO一50Si02复合膜中,JJf]入0.5 mol/kg的 TEGDME液念 质制备凝胶聚 物 质 ’ 受剑制备乃‘法的影响。使用球 分数)Al2O3的 硫电池首』 』JlJ入l0%(质0 (CGPE)。通过刈 比液休电解质电池 CGPE}乜池 最高为1 670 的 量保持率,发现CGPE咆池比液体fU解J U池 mA・h/g,接近 沦容 ,【人J为A1203 u 以形成稳定 能 快地达到最人 ;, [ 9(b)]。这址1人J为CGPE 的Li!S,从¨1j-改 硫的利用。 f』的SiO2 lJj‘以吸收多硫化物,也被认为址多硫化物 采剐物 变联的 ‘法破坏聚合物分子链排列的 仃储处,促进Li2S8 n勺扩敞,提高酒 物质l,/,JgJ)tJ半。 c) cle number (c) cx cle number (d) 图9(a)~(d)匹配不同电解质的锂硫电池的放电容量 划’55-561 o[插图为聚合物膜的SEM图(c~d)I Fig.9(a)Discharge capacity of Li—S cells with different electrolyte at 0.2 C rate ;(b)discharge capacity of Li S cells with liquid electrolyte and GGPE (c)cycling performance of Li/GPE/S battery at a current density of 50 mA-g :and(d) cycling performance of Li—S cells with different GPEs [The insets are the SEM images of the polymer membrane fc and d)l 储能科学与技术 2017年第6卷 JIN等p刮在凝胶电解质中加入具有Lewis酸的 的离子才能在其内部移动。根据物质结构组分进行 PEG—B,因为Lewis酸与阴离子反应,缓解多硫化 分类,无机固体电解质可分为晶体型固体电解质(氧 物的迁移,改善了锂硫电池的循环性能。实验分析 化物、硫化物和氮化物)和非晶型固体电解质(氧一 表明,凝胶电解质厚度越小,锂硫电池的循环稳定 氮化物和硫化物)两类。 性越好。 由于具有电导率高和晶界阻抗小等优势,硫化 综上所述,通过聚合物基质的共混或者在其中 物电解质受到广泛关注。HAYASHI等pu将室温下 3x 10.4 mS/cm的PzS5一LizS5玻璃陶 添加无机填料的方法都可以提高聚合物电解质的离 离子电导率为7.子电导率。除此之外,优化增塑剂也可以改善SEI 瓷电解质作为电解质、S/CuS为正极和Li.In合金为 膜、提高导电率和改善安全性能。离子液体具有蒸 负极组装的全固态锂硫电池,在0.064 mA/cm 条件 气压低、耐热性好和化学稳定性高等特点,研究人 员将其引入聚合物电解质中以提高其电导率和热稳 定性。 WEN等 将离子液体P14TFSI加入到具有微 孔和相互联通骨架的PVDF—HFP聚合物电解质膜 中,制各凝胶聚合物电解质。该凝胶聚合物电解质 呈现出良好特性,包括热稳定性高、电化学窗口大 于5.0 V、与锂负极之间界面稳定。在50 mA/g条件 下,使用该凝胶聚合物电解质的锂硫电池首周容量 为l217.7 mA・h/g,循环20周后,容量为818 mA・h/g[图9(c)]。 LI等L5叫通过静电纺丝技术制备PAN/PMMA 膜。该膜具有三维夹层纤维网状结构和多孔结构, 在其中加入不同质量比的PPR14TFSI PEGDME制 备凝胶聚合物电解质。他们发现PEGDME含量增 加可以提高凝胶聚合物电解质的室温离子电导率, 但是会降低电解液黏度,这不利于PPRl4TFSI— PEGDME渗透到PAN/PMMA膜中。如图9(d)所示, PPRl4TFSI—PEGDME质量比为1:1时,使用该凝 胶聚合物电解质的锂硫电池循环性能最优。电池循 环50周后,容量还能保持在769 mA・bYg。 3.1-3小结 上述研究表明,聚合物电解质可抑制穿梭效应, 提高锂硫电池的容量和库仑效率。然而全固态聚合 物电解质在室温条件下的电导率低(<10-4 S/cm), 不能满足锂硫电池的使用需求。相比之下,凝胶聚 合物电解质可以通过固化电解液实现离子传输,提 高聚合电解质的室温电导率。但是凝胶聚合物中固 化的增塑剂会影响聚合物的力学性能,降低其可加 工性。因此,设计能同时兼顾室温电导率和力学性 能的聚合物电解质仍是未来锂硫电池电解质的关键 问题之一。 3.2无机固体电解质 无机固体电解质被称为超离子导体,只有特定 下,电池循环20周后,容量为650 mA・h/gp 。为 了提高电池容量,该课题组p 将硫、乙炔黑和 P2S5一Li2S5玻璃陶瓷球磨混合,制备S/C复合正极, 并以Li.In合金为负极组装全固态锂硫电池。在1-3 mA/crn2条件下,全固态锂硫电池循环200周后,容 量提升到850 mA・h/g。YAMADA等 叫将S/C复合 正极与P2S5一Li2S5玻璃陶瓷电解质匹配,以锂金属 为负极组锂硫电池。在0.05 C倍率条件下放电,电 池比容量接近1600 mA・h/g,首周库仑效率约为 99%。在固态电解质中电荷转移的活化能为44.5 kJ/mol,低于相应液体电解质的活化能。 LIANG等 u以Li3PS4+5为正极,[3-Li3PS4为无 机固体电解质组装的锂硫电池展示出较好的循环能 力。在室温下,电池首周放电容量为1272 mA・h/g, 库仑效率为100%,循环300周后,放电容量为700 mA・h/g。为了得到高容量的锂硫电池,KINOSHITA 等【o2J以无定形的LiPS4为固态电解质、以硫/ VGCFe/Li3PS4复合材料为正极和以Li4.4Si合金为负 极组装电池。在0.1 mA/cm 放电密度下,电池室温 的首周放电容量为1270 mA・h/g,循环50周后,容 量高达1230 mA・h/g,接近首周放电容量的97%。 相比于液态电解质,无机固体电解质中只有Li 移动,可以阻碍多硫化物的溶解及其溶解的多硫化 物引起的穿梭效应。在锂硫电池中,无机锂离子导 体除了用作固态电解质以外,也可以充当隔膜,通 过物理屏障阻碍溶解的多硫化物引起的穿梭效应。 WEN等 不仅将Li1.5Alo 5Ge1.5(PO4)3(LAGP)无 机固态电解质用作锂离子导体,还用作阻挡溶解的 多硫化物的隔膜,如图10(a)所示。组装混合电解质 (HE)锂硫电池,得到电池的库仑效率为100%,在 0.2 C条件下,首周放电比容量高达1386 mA・h/g, 循环40周后容量保持为720 mA・h/g[图lO(b)]。通 过XPS和EDS光谱证实在锂金属和复合电解质之 间没有副反应,因此使用LAGP复合电解质能阻碍 第3删 丽莉等:离比能 硫电池功能咀解质材料 461 图10(a)HE锂硫电池示意图和(b)0.2 C倍率下电池的循环・性能‘删;(c)锂硫电池组装示意图及电解质的界面SEM (d)0.5 C倍率下电池的循环性能0 Fig.1 0(a)Schematic illustration and(b)cycling performance of a HE Li—S cell at the 0.2 C rate ;(c)schematic illustration for the fabrication of the Li-S cell and SEM images of the CROSS section of the electrolyte;and(d)cycling performance of the cell at 0.5 CI 4l 多硫化物存电极之间来 移动,抑制穿梭效应。该 分尤机固体电解质 能在商湍叫 境tI-使川J。 课题 M 还设计了‘种新 凝胶一陶瓷多 电解质 (GCME),l』『i 10(c)所l1,J:。该设计充分发挥J 种 材料荇自的优势:无机NASICON型离 体固态 4 总结与展望 近年来, 多研究学 尝试通过/f 川n勺力‘法术 L AI【J_5Ge (PO4)3(LAGP)可以将多硫化物限制 缓解多硫化物的穿梭效应,包括液体iU解质成分, JlJ剂米改*液体电 hL极一侧,减缓穿梭效应;PEO 凝胶聚合物电 选择小同的溶剂、锂盐或 添J解质(GPEs)能避免漏液和电解质的消耗,还有助 质的特性等。 J 减小界面 抗。GCME厂盯作锂硫电池的隔膜和电 ;这些乃 法都取得了/1 错的成效, 尚濉卜溶 足山J 常用的有机溶剂分解湍皮低, 解质,该电池几乎没有闩放电,展示 良好的电化 剂会分解并, 生气体,仔 安全隐忠。十II比J 仃机 学性能。0.5 c倍率放电,电池 周放电容 高达 溶剂,离了液体 仃较高的L 化学商I_]平l1分解温度, 725 mA・h/g,循环300周 ,容量仍能保持700 将典刖作钾硫电池的电觯质仃助J 提高IU解质的热 ITIA.h/g[I 10(d)]。 稳定性,然m 要恕扶 实际的崩、I 化J JIJ,离 液 十口比于液态电解质,无机 体电解质可以降低 体制箭成小舟和黏度人的缺点足未米 篮优先解决 多硫化物I,{勺溶解,并阻碍溶 的多硫化物狂电板之 的问题。相比J- 述 种液态电解质, 念/、卜㈨念 clJ 来 穿梭,f日址尢机固体电斛质存存的 些 题 电解质 仪具彳丁良好的热稳定性和力学悱能,Jf障,近 制了 镡硫电池【1]的应『1j,这 J匕问题以无机固 以 钝硫电池中充 1隔多硫化物的物 J体电解质利电极之l1_iJ的 面 稳定以及其室温离子 年水受剑 多父汴。I I 仃,对fo,1念/准 念电m早质 电导率低为 :无机同体电解质与电极之间为同 奉温 导率低、电解质和电极之间的界 卡II 此成为 1 l 化J 川 崮界 }j.两 之『l1J没有足够的接触l 积,这将导敛 差等问题的研究及改善无疑 以提“ 商、 也化 反应滞后,0l起电池极化增人;兀机 体电 和实现钾硫电池的瑚能量崭度n勺町能, 。 解质中的锂离j 在窜温条什卜的扩敞速度慢,人部 今钾硫电池电解质的研究热 一462 储能科学与技术 2017年第6卷 remaining 为此,我们认为面向高性能锂硫电池的应用发 展,未来功能电解质材料的主要研究方向包括:① 开发二元或三元多功能电解质,降低电解质黏度, rechargeable Li—S cells for EV application.status.problems and solutions[J].Ecs Transactions,2010,25(35):23 34. MI N,WENG W,TAKOUDIS C,et a1.Improved performance of [14] AZIlithium-sulfur battery with fluorinated electrolyte[J].Electroche— mistry Communications.2Ol3.37:96—99 得到适宜的多硫化物溶解度,缓解穿梭效应;②寻 找新的聚合物基质或共混无机填料,开发电导率 MI N,XUE Z,RAGO N D,et a1.Fluorinated electrolytes for Li.S [15] AZIbattery:Suppressing the self-discharge with an electrolyte containing 高且稳定性好的固态/半固态电解质;⑧优化新型固 态电解质的制备工艺,实现固态电解质的批量化 制备。 lfuoroether solvent[J].Journal ofthe Electrochemical Society,2014, 162(1):A64-A68. NE K.Ultrasound assisted design of 【16] WENG W.POL V G AMIsulfr/ucarbon cathodes with partially fluorinated ether electrolytes 最后需要指出的是,锂硫电池的能量密度还会 or hifghly eficifent Li/S batteries[J].Advanced Materials,2013, 受到电解质在电池中所占质量比的影响。尽管低电 解质占比是实现锂硫电池高能量密度的条件之一, 但同时也会降低硫的利用率;而高电解质占比可以 补偿在循环中持续分解的电解质,延长锂硫电池的 循环周数,但又会阻碍锂硫电池的实用化。在未来 锂硫电池材料优化的基础上,保证锂硫电池电解质 与电极材料相容匹配的同时对电解质质量比的合理 调控是实现锂硫电池工程化应用开发中必须关注的 关键技术问题。 参考文献 [1] DANUTA H.JULIUSZ U.Electric dry cells and storage batteries: U¥3043896[P].1962一O7.1O. 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