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一种稳定金属锂沉积的电解液及其在锂金属电池中的应用制造技术

技术编号:25956356 阅读:16 留言:0更新日期:2020-10-17 03:48
本发明专利技术属于锂金属电池领域,具体公开了一种稳定金属锂沉积的电解液;包含导电锂盐、有机溶剂和添加剂组成的有机溶液;所述的所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。本发明专利技术还包括所述的电解液的应用以及包含所述电解液的锂金属电池。本发明专利技术所述电解液配方简单、成本低廉且适合大规模产业化。采用本发明专利技术所述电解液可以实现均匀的锂沉积,有效避免充放电过程中的锂枝晶,极大的改善了其循环性能安全性能。该电解液可以作为锂硫电池、锂空电池等以金属锂为负极的储能器件中,实现其长循环的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种稳定金属锂沉积的电解液及其在锂金属电池中的应用
本专利技术涉及一种稳定金属锂沉积的电解液,属于储能材料及纳米

技术介绍
随着人们对储能设备的需求越来越高、对锂离子电池的能量密度要求也越来越高,目前传统锂离子电池已经不能满足对高能量密度储存设备的要求,产业化锂离子电池的正负极材料的能量密度已经接近理论能量密度,很难再有较大的提高,锂凭借其超低的电化学势和超高的比能量,被誉为“圣杯级”负极材料,以锂金属为负极的锂三元电池、锂硫电池、锂氧电池等因其能量密度高、成本低、环境友好等显著优势,已经成为新能源电池领域的研究热点。不同于常规的锂离子电池的阳极发生的是锂离子在石墨阳极中的嵌入和脱出;锂金属电池阳极的充放电过程是锂金属的溶解和沉积过程;其基本反应式为:充电:Li++e=Li;放电:Li-e=Li+。而金属锂在反复充放电过程中易出现粉化、枝晶等问题,导致其循环性能较差,锂枝晶刺穿隔膜造成电池短路还有可能引发严重的安全事故。因此,对于各类以锂为负极的储能器件来说,不解决金属锂负极的问题,这类电池很难实现产业化。从电化学的角度来看,锂负极枝晶问题的本质原因在于锂在电化学沉积溶解过程溶解过程的不均匀性和金属锂与电解液之间的高反应活性。理论上的解决方案可从两个方面入手,一是降低其电极反应过程中的交换电流密度,二是尽可能的降低或消除锂离子扩散过程中的扩散传质的影响,均匀化锂离子的传质通量。目前针对锂负极的枝晶生长问题的解决策略大致可以分为以下几种:(1)在负极表面构筑人造固体电解质界面(SEI)膜,或采用电解液成膜添加剂;(2)采用高浓度电解液或脉冲沉积(3)采用固态电解质、聚合物电解质或凝胶电解质作为锂负极表面修饰层;(4)采用多孔或空心的三维导电集体为锂的沉积基底。这些方法均能在一定程度上解决枝晶问题,提升锂负极性能,但是往往作用有限,例如人造SEI膜在一定程度上可以延缓枝晶的生长,但是在大电量长循环的情况下,仍无法解决体积效应带来的问题;固态电解质可以改善锂离子对流传质,但是在实际电池中固态电解质和锂负极之间很难形成和维持均匀的接触界面,仍然会造成负极表面电流密度分布的不均匀,引起锂枝晶生长;而三维导电集体虽然能够很好的缓解锂沉积过程中的体积效应,但是更大的比表面积导致了更多的SEI膜的生成,反而增大了电极表观交换电流密度,使锂沉积更加不均匀。而电解液作为锂电池四大组成部分之一,对锂离子传输过程起着至关重要的作用,各种针对电解液的的设计,如不同溶质溶剂的选择、不同的电解液电解液添加剂,都能够对锂负极起到明显的改善作用。但现有锂金属电池电解液的性能还有待改善。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前锂金属负极应用技术的不足,提供一种可以稳定锂沉积的锂电池电解液,可以极大的改善金属锂负极的枝晶和循环性能较差的问题。本专利技术第二目的在于,提供一种稳定金属锂沉积的电解液在锂金属电池中的应用方法。本专利技术第三目的在于,提供一种添加有所述的稳定金属锂沉积的电解液的锂金属电池。一种稳定金属锂沉积的电解液,包括导电锂盐、有机溶剂和添加剂;所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。本专利技术提供了一种解决金属锂枝晶问题的技术手段,即通过在电解液中添加所述纳米级别的氮化物种类的添加剂,改变在充放电过程中的锂沉积方式,进而实现从源头上解决锂在沉积/溶解过程不均匀的问题,从而达到改善金属锂沉积均匀性,减少体积效应,提升循环稳定性。本专利技术所述的技术机理为:在放电过程中,锂离子会优先和负极表面的所述的纳米级别的所述种类的氮化物添加剂粒子接触,该纳米粒子会作为沉积的形核位点,异质形核使得沉积过程形成更多的晶种,其晶粒更加细小,沉积形貌更加均匀和平整。本专利技术技术方案的关键在于对所述的添加剂的尺寸以及添加剂物质种类的控制。研究发现,添加本专利技术所述的添加剂,可以改变锂沉积方式,有效解决锂沉积/溶解过程的不均匀性的问题。本专利技术技术方案,在创新的添加剂种类控制的基础上,进一步控制添加剂的尺寸、形貌以及添加量,可以进一步提升电解液对锂沉积的稳定性,进一步提升其电学表现。作为优选,所述的添加剂的粒径为1nm-500nm,优选为20-200nm。在该优选的粒径范围下,可以进一步提升电解液的电学表现。所述的添加剂为各自化合物的纳米晶、纳米球、纳米花、纳米线、纳米棒、纳米片中的一种或几种。作为优选,所述的电解液中,添加剂的添加百分含量为0.01-10wt.%,优选为0.1-5wt.%;更进一步优选为1-4wt.%。所述的添加百分含量指添加剂占电解液总重量的百分比。研究发现,控制在该优选的范围下,能够有效发挥添加剂的效果,添加量较大或者较小,均一定程度影响电解液的电学表现。本专利技术中,所述的导电锂盐为双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂盐、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟双(草酸根)合磷酸锂、二草酸硼酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂中的一种或几种。优选的,所述的导电锂盐的摩尔浓度为0.5-10mol/L,优选为1-7mol/L;更进一步优选为2-5mol/L。作为优选,所述的有机溶剂为酯类溶剂、醚类溶剂和/或砜类溶剂。优选的,所述的酯类溶剂为碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、1,3-丙磺酸内酯(PS)、碳酸亚乙烯酯(VC)、乙酸丙酯(PA)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸甲丙酯(MPC)、乙酸乙酯(EA)、乙酸甲酯(MA)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)中的一种或几种。优选的,所述的醚类溶剂为四乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四氢呋喃(THF)、1,3二氧戊环(DOL)、1,4二氧六环(DX)、乙二醇二甲醚(DME)、苷二醇二甲醚、2-甲基四氢呋喃、2,5-二乙基四氢呋喃、二甲氧基丙烷中的一种或几种。优选的,所述的砜类溶剂为二甲基砜、二甲基亚砜(DMSO)、环丁砜(SUL)、乙基甲基砜、二乙基砜、甲基异丙基砜、乙基甲氧基乙基砜、甲氧基乙基甲基砜、乙基异丙基砜、乙基正丁基砜中的一种或几种。作为优选,所述的电解液中还包含辅助添加剂,所述的辅助添加剂包含硝酸锂、多硫化锂、硝酸钾、硝酸铯、硝酸钡、硝酸铵、亚硝酸锂、亚硝酸钾、亚硝酸铯、亚硝酸铵、硝酸甲酯、硫化磷、溴化锂、碘化锂、碘化铟、二硫化二苯骈噻唑、碘代硝基苯、三苯基磷中的至少一种;进一步优选为硝酸锂。研究发现,本专利技术所述的添加剂和辅助添加剂存在协同效果,可以有效协同解决金属锂沉积/溶解过程的不均匀性的问题,协同改善金属锂沉积稳定性,提升首次容量和循环稳定性。作为优选,所述的辅助添加剂的添加百分含量为0.1-5wt.%;进一步优选为1-2wt.%。所述的添加百分含量指辅助添加剂占电解液总重量的百分比。研究发现,控制在该优选的范围下,能进一步提升其与添加剂的协同效果,进一步提升电解液的电学表现。<本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,包括导电锂盐、有机溶剂和添加剂;/n所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。/n

【技术特征摘要】
1.一种稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,包括导电锂盐、有机溶剂和添加剂;
所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。


2.如权利要求1所述的稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,所述的添加剂的粒径为1nm-500nm,优选为20-200nm。


3.如权利要求2所述的稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,所述的添加剂为各自化合物的纳米晶、纳米球、纳米花、纳米线、纳米棒、纳米片中的一种或几种。


4.如权利要求1所述的稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,所述的电解液中,添加剂的添加百分含量为0.01-10wt.%,优选为0.1-5wt.%;进一步优选为1-4wt.%。


5.如权利要求1所述的稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,所述的导电锂盐为双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂盐、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二氟双(草酸根)合磷酸锂、二草酸硼酸锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂中的一种或几种;
优选的,所述的锂盐的摩尔浓度为0.5-10mol/L,优选为1-7mol/L;进一步优选为2-5mol/L。


6.如权利要求1所述的稳定金属锂沉积的电解液,其特征在于,所述的有机溶剂为酯类溶剂、醚类溶剂和/或砜类溶剂。
优选的,所述的酯类溶剂为碳酸乙烯亚乙酯、1,3-丙磺酸内酯、碳酸亚乙烯酯、乙酸丙酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯、乙酸甲...

【专利技术属性】
技术研发人员:赖延清洪波高春晖向前范海林
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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