本發(fā)明屬于鋰硫電池，具體涉及一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液及其制備方法。

背景技術：

1、自工業(yè)革命以來，全球發(fā)展一直嚴重依賴于對自然資源的過度開發(fā)與利用。隨著化石燃料的廣泛使用、森林砍伐以及其他形式的土地利用變化，人類活動導致的環(huán)境污染和能源枯竭等問題日益引起大眾的廣泛關注。未來社會不斷增加的能源需求和對氣候變化的擔憂極大的刺激了可再生能源的增長。中國能源結構部分或全部過渡到可再生能源是未來能源轉型的必經(jīng)之路。在過去十幾年中，可再生能源在全球電力生產(chǎn)中的份額持續(xù)增長。風能和太陽能是最常見的兩種可再生能源，但因自然和氣候條件，風能和太陽能發(fā)電具有高度的隨機性和間歇性，阻礙了可再生能源的廣泛應用。因此，開發(fā)儲能技術以滿足可再生能源電力的穩(wěn)定輸入與輸出，對建立清潔能源網(wǎng)絡至關重要。

2、在各種儲能技術中，電化學儲能技術因其高效性和靈活性成為最有前景的能量存儲技術之一，而二次電池是應用最廣泛的電化學儲能體系。在各種二次電池體系中，鋰離子電池在消費電子產(chǎn)品、電動汽車和儲能電網(wǎng)等領域已經(jīng)取得了重要的應用。然而受限于其固有的理論能量密度上限，傳統(tǒng)鋰離子電池無法實現(xiàn)高于400wh/kg的能量密度，無法滿足社會大眾對高能量密度二次電池儲能的需求。鋰硫電池是一類以單質硫為正極材料，金屬鋰為負極材料的電化學儲能器件。其中，單質硫在自然界中儲量豐富、便宜易得、環(huán)境友好，具有1672mah/g的超高理論比容量；鋰金屬負極的優(yōu)勢在于其具有最低的電極電勢(相對標準氫電極-3.04v)和超高的理論比容量(3860mah/g)，使得鋰硫電池的理論能量密度高達2600wh/kg。因此，鋰硫電池體系被認為是最具實用化前景的下一代高能量密度二次電池儲能技術之一。

3、雖然鋰硫電池具有超高的理論能量密度，但其在充放電過程中涉及到復雜的多電子轉移反應以及多相轉變過程，這種復雜的多相多電子反應為鋰硫電池實際能量密度的放出與高能量密度的實現(xiàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，鋰硫電池器件的實際能量密度遠低于理論值(通常<600wh/kg)。實現(xiàn)高能量密度鋰硫電池的挑戰(zhàn)主要集中在硫正極側：首先，單質硫和放電產(chǎn)物硫化鋰的本征電導率低，使得在室溫下實現(xiàn)二者之間的電化學轉化非常困難；其次，多硫化物在硫正極和鋰負極之間發(fā)生“穿梭效應”，擴散到負極的多硫化物會被進一步還原成難溶的硫化鋰固體，造成正極活性物質的損失，導致電池放電比容量降低；最后，鋰硫電池在放電過程中發(fā)生的固-液-固多相多電子反應的反應動力學十分緩慢，導致電池在放電過程中產(chǎn)生嚴重的極化，使得電池的放電比容量和能量密度進一步降低。以上問題共同導致了鋰硫電池的實際能量密度目前難以超過600wh/kg。

4、電解液是鋰硫電池中重要的組成部分，通過調(diào)控鋰硫電池電解液的組分以強化其正極反應動力學，可以實現(xiàn)高能量密度的鋰硫軟包電池的構筑。例如，有研究者在電解液中引入二茂鈷氧化還原介體，不僅可以將放電過程中硫化鋰的沉積行為由二維沉積轉變?yōu)槿S沉積，并且可以在大倍率(＞1c)下實現(xiàn)放電比容量的大幅提升(small?methods?2020,6,1900344)。有研究者在電解液中引入1,5-雙(2-(2-(2-甲氧基)乙氧基)乙氧基)蒽-9,10-醌(aqt)作為硫化鋰氧化過程的氧化還原介體，通過降低硫化鋰的氧化電位促進硫化鋰的氧化轉化，使得鋰硫電池的放電比容量達到1300mah/g(joule2019,3,872)。另有研究者通過結合放電過程的動力學促進劑二茂鈷和充電過程的動力學促進劑1,4-萘醌，在貧電解液條件下實現(xiàn)了550wh/kg的高能量密度鋰硫軟包電池(batteries?supercaps?2022,3,e202100359)。這些動力學促進劑雖然能夠在一定程度上提高鋰硫軟包電池的能量密度，但大多局限在低于600wh/kg的能量密度水平，仍不能滿足鋰硫電池商業(yè)化應用的需求。因此，需要開發(fā)進一步的鋰硫電池電解液技術方案，從而實現(xiàn)高能量密度(＞600wh/kg)的鋰硫電池器件，切實推進鋰硫電池的實用化進程。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)鋰硫電池電解液中正極反應動力學緩慢，導致鋰硫電池實際能量密度低的問題，設計了一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液。具體通過引入正極動力學促進劑來提升多硫化物在正極側的反應動力學，從而實現(xiàn)高能量密度的鋰硫軟包電池。所提出的正極動力學促進劑如sni4能夠與鋰硫電池放電過程中產(chǎn)生的多硫化鋰相互作用形成絡合物，并發(fā)生反應生成硫錫化鋰(lisns3)，生成的硫錫化鋰具有比本征多硫化物更快的氧化還原反應動力學，同時還能夠改變硫化鋰的沉積模式由二維轉變成三維，導致較高的硫利用率，從而實現(xiàn)更高的放電比容量和能量密度。其中四溴化錫、四氯化錫也具有相似的作用機制。所提出的鋰硫電池電解液制備方法簡便、電池性能優(yōu)異，為實用化高能量密度鋰硫電池的開發(fā)提供了新的技術方案。

2、本發(fā)明提供了一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液及其制備方法，解決現(xiàn)有的鋰硫電池能量密度低的技術問題。

3、本發(fā)明提供一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液，包括第一溶劑、第二溶劑、鋰鹽、助劑以及正極動力學促進劑；其中，所述正極動力學促進劑為snx4，其中x為鹵素。

4、在一些優(yōu)選地實施方案中，所述正極動力學促進劑選自以下中的任意一種：sni4、sncl4、snbr4。

5、在一些更優(yōu)選地實施方案中，所述正極動力學促進劑包括sni4。

6、在一些優(yōu)選地實施方案中，所述電解液中，正極動力學促進劑的濃度為20～150mmol/l。

7、在一些優(yōu)選地實施方案中，所述第一溶劑選自乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚中的一種；

8、和/或

9、所述第二溶劑選自1,3-二氧戊環(huán)、1,4-二氧六環(huán)中的一種；

10、和/或

11、所述第一溶劑和第二溶劑的體積比為第一溶劑：第二溶劑＝3:1～1:1。

12、在一些優(yōu)選地實施方案中，所述鋰鹽選自雙(氟磺酰)亞胺鋰、雙(三氟甲基磺酰)亞胺鋰、雙(五氟乙基磺酰)亞胺鋰中的一種；

13、和/或

14、鋰鹽的濃度為500～1000mmol/l。

15、在一些優(yōu)選地實施方案中，所述助劑為硝酸鋰；

16、和/或

17、所述電解液中，助劑的濃度為500～1000mmol/l。

18、第二方面，本發(fā)明提供一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液制備方法，包括如下步驟：

19、1)在氬氣保護環(huán)境下，將鋰鹽溶于第一溶劑中，攪拌使得鋰鹽在第一溶劑中充分溶解；

20、2)向由步驟1)得到的溶液中加入第二溶劑、助劑和正極動力學促進劑，攪拌至沒有固體物質析出，即得所述電解液。

21、第三方面，本發(fā)明提供一種所述的電解液在鋰硫電池中的用途。

22、第四方面，本發(fā)明提供一種鋰硫電池，其包含：正極、負極、置于所述正極與所述負極之間的隔膜、以及所述的電解液。

23、本發(fā)明的有益效果在于：

24、本發(fā)明提供了一種適用于高能量密度鋰硫電池的電解液，在醚基電解液中添加特定添加量的snx4(x選自i、cl、br等)，其中最優(yōu)選為sni4。所提出的正極動力學促進劑如sni4能夠與鋰硫電池放電過程中產(chǎn)生的多硫化鋰相互作用形成絡合物，并發(fā)生反應生成硫錫化鋰(lisns3)，生成的硫錫化鋰具有比本征多硫化物更快的氧化還原反應動力學，同時還能夠改變硫化鋰的沉積模式由二維轉變成三維，導致較高的硫利用率，從而實現(xiàn)更高的放電比容量，進而提高鋰硫軟包電池的能量密度，其中四溴化錫、四氯化錫也具有相似的作用機制。采用本發(fā)明的方法制備出的鋰硫電池電解液可以在5ah的鋰硫軟包電池中實現(xiàn)650wh/kg以上的能量密度。