锂金属电池及其电解液制造技术

本发明专利技术提供了一种锂金属电池及其电解液。所述锂金属电池的电解液包括：非水溶剂；锂盐；以及添加剂。所述添加剂为硼烷类化合物和/或环硼烷类化合物，其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、含1-8个碳原子的烷烃基、芳香烃基、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取代含1-8个碳原子的烷烃基中的一种，R5选自含1-8个碳原子的环烷基。所述锂金属电池包括前述锂金属电池的电解液。本发明专利技术的锂金属电池的电解液可有效抑制负极表面的锂枝晶生长，同时提高锂金属电池的循环性能和安全性能。硼烷类化合物的结构式为：，环硼烷类化合物的结构式为：。

Lithium metal battery and electrolyte thereof

The invention provides a lithium metal battery and an electrolyte thereof. The electrolyte of the lithium metal battery comprises a non-aqueous solvent, a lithium salt and an additive. The additive is borane compounds and / or ring borane compounds, among them, a R1, R2, R3 alkyl and R4 independently selected from the group consisting of F atoms, 1-8 containing carbon atoms, alkyl, aryl hydrocarbon, carboxylic ester, phosphate radical, sulfonic acid ester, fluorinated aromatic hydrocarbon and fluorine instead of containing 1-8 carbon atoms in the naphthenic R5 from 1-8 containing carbon atoms. The lithium metal battery comprises an electrolyte of the lithium metal battery. The electrolyte of the lithium metal battery of the invention can effectively inhibit the growth of the lithium dendrite on the surface of the negative electrode, and improve the cycle performance and the safety performance of the lithium metal battery. The structure of the borane compounds is: the structure of the compounds is:.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种锂金属电池及其电解液。
技术介绍
目前，商业化的锂离子电池的负极活性材料主要是石墨，但是石墨的质量比容量有限，体积比容量提高的空间也非常小，严重限制了锂离子电池的重量能量密度和体积能量密度的进一步提升。随着目前消费电子产品和电动汽车技术的发展，开发具有更高能量密度的电池体系成为当务之急。锂金属具有很高的质量能量密度(3860Ah/kg)和体积能量密度(2050Ah/L)，因此常用作锂金属电池的负极。然而由于锂金属在反复充电过程中会产生不均匀沉积，导致生长的锂枝晶会不断破坏锂金属表面的SEI膜，进而导致负极界面副反应持续进行。而且锂金属在充电过程中的不均匀沉积产生的锂枝晶还会形成泡沫状锂，并最终因与负极脱离电接触而失效。这两方面的因素会大大降低锂金属电池的循环性能。此外，锂枝晶的不断生长有可能最终到达正极，还会给锂金属电池带来内短路的风险。根据Chazalviel模型，充电过程中锂金属附近的离子分布显著影响锂沉积形貌。对于同时存在锂离子和对应阴离子的电解质体系，充电过程中锂枝晶开始生长时间与阴离子迁移数的倒数平方成正比。为解决锂金属表面的锂枝晶问题，一个思路是降低电解液体系中的阴离子迁移数，从而使得锂枝晶开始生长时间长于电池充电时间。2012年10月3日公布的中国专利申请号为CN102702657A的专利文献和2013年1月31日公布的国际专利申请公布号为WO2013015747A1的专利文献通过将阴离子固定在聚合物上制备可传导锂离子的聚合物电解质，理论上电解质中阴离子迁移数为0，可有效避免锂枝晶的生长。然而由于这类电解质的阴阳离子间存在强烈的离子键，难以离解而导致电池的电导率很低，无法满足电池的需求。
技术实现思路
鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种锂金属电池及其电解液，所述锂金属电池的电解液可有效抑制负极表面的锂枝晶生长，同时提高锂金属电池的循环性能和安全性能。为了实现上述目的，在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种锂金属电池的电解液，其包括：非水溶剂；锂盐；以及添加剂。所述添加剂为硼烷类化合物和/或环硼烷类化合物，硼烷类化合物的结构式为：环硼烷类化合物的结构式为：其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、含1-8个碳原子的烷烃基、芳香烃基、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取代含1-8个碳原子的烷烃基中的一种，R5选自含1-8个碳原子的环烷基。在本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种锂金属电池，其包括：负极片，所述负极片为金属锂；正极片，包括正极集流体和涂布于正极集流体上的包括正极活性材料、正极导电剂、正极粘结剂的正极膜片；隔离膜，间隔于负极片和正极片之间；以及电解液。其中，所述电解液为根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液。本专利技术的有益效果如下：本专利技术的锂金属电池的电解液中的添加剂可与锂盐中的阴离子产生强烈的络合作用，这样不仅能通过路易斯酸碱作用有效离解锂盐中的阴离子和阳离子，还能减缓阴离子在电解液中的迁移速度，从而抑制充电过程中电解液中的浓差极化，进而抑制锂金属电池的负极片(即锂金属)表面的锂枝晶生长，提高锂金属电池的循环性能和安全性能。具体实施方式下面详细说明根据本专利技术的锂金属电池及其电解液以及实施例、对比例和测试结果。首先说明根据本专利技术第一方面的锂金属电池的电解液。根据本专利技术第一方面的锂金属电池的电解液，包括：非水溶剂；锂盐；以及添加剂。所述添加剂为硼烷类化合物和/或环硼烷类化合物，硼烷类化合物的结构式为：环硼烷类化合物的结构式为：其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、含1-8个碳原子的烷烃基、芳香烃基、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取代含1-8个碳原子的烷烃基中的一种，R5选自含1-8个碳原子的环烷基。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，锂金属电池的电解液中的添加剂可与锂盐中的阴离子产生强烈的络合作用，这样不仅能通过路易斯酸碱作用有效离解锂盐中的阴离子和阳离子，还能减缓阴离子在电解液中的迁移速度，从而抑制充电过程中电解液中的浓差极化，进而抑制锂金属电池的负极片(即锂金属)表面的锂枝晶生长，提高锂金属电池的循环性能和安全性能。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述添加剂的质量可为所述锂金属电池的电解液的质量的0.1％～10％，优选可为1％～5％。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述硼烷类化合物可选自三氟化硼、二(五氟苯基)二甲基磷酸硼、三(五氟苯基)硼、二(全氟辛基)乙酸硼以及三氟甲磺酸二丁基硼中的一种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述环硼烷类化合物可选自9-硼双环(3,3,1)-壬烷(9-BBN)。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述非水溶剂可选自碳酸酯类有机溶剂、磷酸酯类有机溶剂以及离子液体类有机溶剂中的一种或几种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述碳酸酯类有机溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯以及碳酸甲乙酯中的一种或几种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述磷酸酯类有机溶剂可选自磷酸三甲酯、磷酸三乙酯以及乙基膦酸二甲酯中的一种或几种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述离子液体类有机溶剂中的阳离子可选自季铵型阳离子、季膦型阳离子、咪唑型阳离子以及吡啶型阳离子中的一种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述离子液体类有机溶剂中的阴离子可选自含氟的无机阴离子或含氟的有机阴离子。所述含氟的无机阴离子可选自BF4-、PF6-以及双氟磺酰亚胺离子(FSI-)中的一种；所述含氟的有机阴离子可选自三氟甲基磺酸离子或双三氟甲基磺酰亚胺离子(TFSI-)。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，所述离子液体类有机溶剂可选自甲基丙基哌啶双氟磺酰亚胺盐(PP13-FSI)、甲基丙基哌啶双三氟甲基磺酰亚胺盐(PP13-TFSI)以及甲基丁基吡咯双三氟甲基磺酰亚胺盐(P14-TFSI)中的一种。在根据本专利技术第一方面所述的锂金属电池的电解液中，当R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取代含1-8个碳原子的烷烃基中的一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂金属电池的电解液，包括：非水溶剂；锂盐；以及添加剂；其特征在于，所述添加剂为硼烷类化合物和/或环硼烷类化合物，硼烷类化合物的结构式为：环硼烷类化合物的结构式为：其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、含1‑8个碳原子的烷烃基、芳香烃基、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取代含1‑8个碳原子的烷烃基中的一种，R5选自含1‑8个碳原子的环烷基。

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池的电解液，包括：
非水溶剂；
锂盐；以及
添加剂；
其特征在于，
所述添加剂为硼烷类化合物和/或环硼烷类化合物，
硼烷类化合物的结构式为：
环硼烷类化合物的结构式为：
其中，R1、R2、R3和R4各自独立地选自F原子、含1-8个碳原子的烷烃
基、芳香烃基、羧酸酯基、磷酸酯基、磺酸酯基、氟取代芳香烃基以及氟取
代含1-8个碳原子的烷烃基中的一种，R5选自含1-8个碳原子的环烷基。
2.根据权利要求1所述的锂金属电池的电解液，其特征在于，所述添加
剂的质量为所述锂金属电池的电解液的质量的0.1％～10％，优选为1％～5％。
3.根据权利要求1所述的锂金属电池的电解液，其特征在于，
所述硼烷类化合物选自三氟化硼、二(五氟苯基)二甲基磷酸硼、三(五
氟苯基)硼、二(全氟辛基)乙酸硼以及三氟甲磺酸二丁基硼中的一种；
所述环硼烷类化合物选自9-硼双环(3,3,1)-壬烷(9-BBN)。
4.根据权利要求1所述的锂金属电池的电解液，其特征在于，所述非水
溶剂选自碳酸酯类有机溶剂、磷酸酯类有机溶剂以及离子液体类有机溶剂中
的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的锂金属电池的电解液，其特征在于，
所述碳酸酯类有机溶剂选自碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳
酸二乙酯以及碳酸甲乙酯中的一种或几种；
所述磷酸酯类有机溶剂选自磷酸三甲酯、磷酸三乙酯以及乙基膦酸二甲
酯中的一种或几种；
所述离子液体类有机溶剂中的阳离子选自季铵型阳离子、季膦型阳离
子、咪唑型阳离子以及吡啶型阳离子中的一种；
所述离子液体类有机溶剂中的阴离子选自含氟的无机阴离子或含氟的
有机阴离子。
6.根据权利要求5所述的锂金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪响，钟开富，湛英杰，江德顺，吴冰彬，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35