高安全锂硫电池性电解质的研究

锂硫电池具有高理论比容量，低成本，环境友好等优点，是下一代高比能二次储能电池体系较为理想的备选方案。而现存于锂硫电池的正极、负极、电解质等问题阻碍了其商业化应用的进展。在正极方面，硫是一种电子和离子绝缘物，极大限制了电池的动力学（倍率）性能。在充放电反应过程中，活性物质硫遵循的固-液-固两相反应，容易引起穿梭效应，活性物质流失，破坏锂负极，导致自放电。对于锂金属负极，不均匀的锂沉积和界面处与电解质的副反应，极易导致锂枝晶的生长、刺穿隔膜、引起电池短路进而引发热失控，导致安全事故发生。在电解液方面，锂硫电池广泛采用的醚类电解液低闪点，低沸点，在滥用条件下极易漏液，甚至挥发与燃烧;同时，锂硫电池正负极均为易燃易爆物质，在锂硫电池商业化进程中，安全性问题是一个亟待解决的关键问题。为了 研究适用于锂硫电池体系的功能性电解质，解决锂硫电池的安全性问题，提升锂硫电池寿命。 采用高闪点的1H，1H，5H-八氟戊基-1，1，2，2-四氟乙基醚(1H，1H，5H-tetrafluoropentyl-1，1，2，2-tetrafluoroethyl ether,TTE)氟代醚作为共溶剂，制备锂硫电池氟代醚阻燃电解液。由于TTE是一种惰性成分，因此氟代醚阻燃电解液对多硫化物的溶解度更低。根据点燃测试，氟代醚阻燃电解液具有良好的不可燃性;喷雾测试表明氟代醚阻燃电解液喷雾能够有效扑灭明火。荧光显微镜结果证实了氟代醚阻燃电解液能显著减少锂金属负极表面副反应，抑制非活性锂的产生，保护锂负极。扫描电子显微镜(SEM)以及原位电化学光学显微镜证实了氟代醚阻燃电解液可以抑制枝晶生长，防止内部微短路，从而进一步确保电池的安全性。与涂炭隔膜搭配后，采用氟代醚阻燃电解液组装的锂硫电池表现出优异的长循环性能（1000圈循环后，使用氟代醚阻燃电解液搭配涂炭隔膜的锂硫电池仍然具有49.4％的容量保持率）;且60℃高温下也能让电池稳定循环(100圈容量保持率为55.9％，远高于常用1M LiTFSI DOL/DME5wt.％LiNO3电解液（容量保持率28.7％））。搭配4mg cm-2高面载量硫正极时，锂硫电池的放电比容量可达1200mAh g-1(0.02C)。 为了进一步提升锂硫电池的安全性，将液态小分子四甲基脲(TMU)与 LiTFSI络合，制备得到一种新型超分子全固态电解质。此络合电解质的熔点56℃，室温离子电导率可达3.3×10-5S cm-1，电化学窗口高于4.5Vvs.Li|Li+。另外，四甲基脲全固态电解质所组装的Li|Li对称电池在40℃下，以10uA cm-2的电流密度，10uAh cm-2的沉积容量稳定循环达到500h，过电位稳定在10mV，SEM形貌表明该固态电解质能够很好地抑制枝晶产生。同时，基于四甲基脲全固态电解质组装的锂硫电池能够在40℃，0.5C下实现首圈超高放电比容量(1558mAh g-1)。