基于双元功能溶剂与成膜添加剂的锂硫电池电解液体系构建及其抑硫改性机制研究

Lithium sulfur batteries own great development and application prospect as high-energy-density storage devices. However, its commercial application is greatly limited because of lithium polysulfides formed during the charge/discharge processes, which are easily soluble in liquid electrolyte and shuttle between the cathode and anode. Considering that optimization of electrolyte composition is a reasonable approach to solve the problem, A novel functional electrolyte system is proposed in this project, which consists of ether-functionalized ionic liquid and fluorinated linear ether as double solvents, and film-forming lithium salt as additive. Since above ternary components are highly complementary in nature, the defects of single one are supposed to be effectively avoided. It is intended to maximize the synergies of the three components via design and selection of solvent molecules and optimization of the electrolyte composition, in order to make the electrolyte overcome the dissolution and shuttle issues of polysulfides from the premise that the other properties of the electrolyte are satisfactory. Therefore, the capacity, cycle, rate and safety performances of the cell can be extremely enhanced. We will master the controllable design rules of targeted properties of two functional solvents through above researches, as well as establish a set of mechanisms of balanced suppression of the polysulfides and capability coordination of the battery. At last, the work will illustrate the particular function principle and electrochemical reaction regularity based on this novel functional electrolyte, for the sake of providing more adequate theoretical basis for guiding the lithium-sulfur battery research.

作为一种高能量密度储能装置，锂硫电池极具发展与应用前景，但是放电中间产物聚硫锂的易溶解与穿梭问题，极大制约了其实用化进程，而优化电解液组成被视为解决该问题的一个合理途径。为此，本项目提出构建一种采用醚化离子液体与氟化线性醚作双元溶剂、采用成膜性锂盐作添加剂的新型功能电解液体系。上述三元组分在性质上具有高度的互补性，结合使用后应能有效避免单一成分的缺陷与不足。项目拟通过溶剂分子的设计选型与电解液组成的调配优化，最大限度发挥三者的协同作用，使电解液在综合性质能够得到保障的前提下，具备对聚硫锂溶解与穿梭的可靠抑制能力，由此极大提升电池的容量、循环、倍率及安全等性能。通过这些研究工作，项目将全面掌握双元功能溶剂目标性质的可控设计规律，并建立起一套电解液抑硫平衡与电池性能协调机制。项目最后进一步分析阐明基于该新型功能电解液的特殊作用机制与电化学反应规律，为锂硫电池研究提供更充分的理论指导依据。

锂硫电池具有能量密度高、原料来源丰富、对环境友好等突出优点，相比传统二次电池优势明显，极具发展潜力，但是当前存在循环稳定性差、活性物质利用率低、自放电严重等问题。导致这些问题的一个关键原因在于充放电过程形成的中间产物多硫化物会溶解于醚类电解液中并形成穿梭效应。优化电解液组成被视为解决多硫化物上述问题的一个重要途径，因此这一研究方向逐渐引起了国内外专家学者们的广泛重视。.本项目提出构建一种基于醚化离子液体与有机氟化醚双元溶剂及成膜性锂盐添加剂的新型功能电解液体系。项目的关键策略在于利用各组分的高度性质互补，充分发挥其协同作用，实现对穿梭效应的有力抑制。研究内容及取得的重要结果如下：1）双元溶剂构效关系分析与选型。一是发现氟取代度直接影响氟化醚的溶剂化能力和黏度，进而影响多硫化物的溶解性和电解液的离子电导率。二是发现在不同的阳离子结构上引入醚氧原子，离子液体溶解多硫化物的能力具有较大差异。2）电解液溶剂调配与优化。离子液体/氟化醚二元溶剂体系，能够充分避免硫溶与穿梭问题，但并不能起到实质性改善电化学性能的目的。离子液体/氟化醚/传统醚三元溶剂体系，通过组分调控可以优化三者的协同作用功能，确保电池整体性能的提升。3）成膜添加剂应用研究。不同锂盐添加剂对电解液性质与电池性能影响不一。LiFSI与三元溶剂体系相容性良好，可以起到协助功能溶剂进一步稳定锂负极的作用。4）电解液抑硫改性机制探究。提出电解液“抑硫平衡”设计策略，即在多硫化物溶解与锂表面保护之间建立良性的作用力平衡，实现对穿梭效应的联动制控。.本项目的研究成果，对多硫化物的溶解与穿梭行为提出了新的见解，深化了对锂硫电池工作机理的理论认识，同时为构建高性能锂硫电池提供了一个合理的解决方案，有助于进一步推动其实用化进程。总体而言，本项目具有较为显著的科学意义和应用价值。