一种电解液添加剂及其电解液和锂金属电池制造技术

本发明专利技术属于电池技术领域，更具体地涉及一种改善锂金属表面的SEI膜的组成来提升电池循环寿命的电解液添加剂及其电解液和锂金属电池，由于添加了含有硝酸锂的电解液添加剂，硝酸锂在该电解液添加剂中溶解性能优良，被均匀地引入锂金属电池体系，使锂金属表面形成了稳定的SEI层，有效改善了SEI层的离子电导率及稳定性，从而有效防止电解液和锂金属之间副反应的发生，保证了活性锂的有效含量，使锂金属电池兼具高能量密度和长循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种电解液添加剂及其电解液和锂金属电池
本专利技术属于电池
，更具体地涉及一种改善锂金属表面的SEI膜的组成来提升电池循环寿命的电解液添加剂及其电解液和锂金属电池。
技术介绍
作为对锂离子电池升级换代的锂金属电池，因其能储存更多能量，有希望解决目前常规锂离子电池容量不够理想的问题，正受到商用电池领域的日益青睐。锂金属因具有极高的理论比容量(3860mAh/g)和极低的电化学电位，以锂金属为负极的锂金属电池具有极高的能量密度。然而，目前的锂金属电池因电解液与锂金属存在严重副反应，导致活性锂被快速消耗，使得锂金属电池的循环寿命变差。在锂金属电池中，锂金属表面的固态电解质界面层对锂金属的沉积行为有着重要的影响，关系到电池的寿命及使用的安全性。改善锂金属表面的固态电解质界面层(SEI层)的组成对锂金属电池的循环寿命有着至关重要的影响。目前研究表明，SEI层含有LiF,Li3N,Li2O等无机分子，可有效改善界面的离子电导率及稳定性，提升锂金属电池的循环稳定性。如何有效地改善锂金属电池的表面界面层对于提升锂金属电池的循环稳定性是一项非常有意义的工作。
技术实现思路
鉴于以上，需要将Li3N等成分引入到SEI层中，本专利技术引入Li3N成分主要是通过锂盐——硝酸锂LiNO3分解而来，但硝酸锂不溶于碳酸酯溶剂中，在醚类溶剂中的溶解度也很低，因此提供一种电解液添加剂及其电解液和锂金属电池，所述电解液添加剂需具备优良的溶解硝酸锂能力以及将硝酸锂均匀地引入锂金属电池体系中的能力，以促进锂金属表面生成稳定的SEI层，达到提升锂金属电池循环寿命的目的。为实现上述目的，在本专利技术的第一方面，专利技术人提供了一种电解液添加剂，该电解液添加剂包含第一溶剂和硝酸锂，其中，所述第一溶剂为化学结构如通式Ⅰ所示的酰胺类化合物，其中，R1、R2、R3分别选自H或碳原子数为1-6的烃基。在本专利技术的第二方面，专利技术人提供了一种电解液，其包含第二溶剂，添加剂及锂盐，其中，所述添加剂为本专利技术第一方面所述的电解液添加剂。在本专利技术的第三方面，专利技术人提供了一种锂金属电池，其中，该锂金属电池包括：锂金属负极、隔膜、正极和本专利技术第二方面所述的电解液。与现有技术相比，本专利技术的技术方案至少具有以下有益技术效果：由于添加了含有硝酸锂的电解液添加剂，硝酸锂在该电解液添加剂中溶解性能优良，被均匀地引入锂金属电池体系，使锂金属表面形成了稳定的SEI层，有效改善了SEI层的离子电导率及稳定性，从而有效防止电解液和锂金属之间副反应的发生，保证了活性锂的有效含量，使锂金属电池兼具高能量密度和长循环寿命。具体实施方式下面详细说明本专利技术的电解液添加剂及其电解液和锂金属电池。首先说明本专利技术第一方面的电解液添加剂，电解液添加剂包含第一溶剂和硝酸锂，其中，所述第一溶剂为化学结构如通式Ⅰ所示的酰胺类化合物，其中，R1、R2、R3分别选自H或碳原子数为1-6的烃基。硝酸锂由于较强的离子–离子相互作用而不溶于碳酸酯溶剂，在醚类溶剂中的溶解度也很低。专利技术人经过大量研究发现，在酰胺类溶剂中，由于分子中氨基氮上的未共用电子对与羰基的π电子形成共轭体系，使氮上的电子云密度降低，因而接受质子的能力减弱，这时C-N键出现一定程度的双键性。同时，氮上的电子云密度降低，却使N-H键的极性增加。R1、R2、R3分别选自H或碳原子数为1-6的烃基，这种短链酰胺类化合物能充分发挥C-N键的双键性以及N-H键的极性，使硝酸锂在酰胺类化合物中具有很好的溶解性。进一步地，采用硝酸锂作为电解液添加剂的组成部分，可以在锂金属电池循环过程中有效抑制金属锂转化为锂枝晶，抑制锂金属负极表面粗糙度的增加，保护锂金属负极结构。另外，电解液组分与锂金属负极通过化学反应形成的无机膜(SEI膜)隔离了电解液和金属锂的接触，抑制了锂金属负极与电解液之间的副反应发生，使锂金属电池的充放电容量和循环性能得到了极大改善。因此，该电解液添加剂将硝酸锂均匀引入锂金属电池体系的方案包括两种：(1)将该电解液添加剂作为电解液组分；(2)将该电解液添加剂用于聚合物成膜用作锂金属保护层。进一步地，该电解液添加剂中硝酸锂在酰胺类化合物中的溶解度对其改善SEI层的离子电导率及稳定性有着重要影响，虽然更小的溶解力也能在一定程度上改善SEI层的稳定性，但是专利技术人研究发现硝酸锂在酰胺类化合物中的溶解力为1-6mol/L，优选为2-5mol/L时，该电解液添加剂对电解液及其锂金属电池的循环寿命和能量密度保持的作用更佳。随添加剂中硝酸锂的增加性能先增强后趋于稳定，当硝酸锂浓度达到6mol/L后，继续加入添加剂，电解液中硝酸锂析出。优选地，所述硝酸锂在酰胺类化合物中的溶解力为1-6mol/L，优选为2-5mol/L。进一步地，虽然R1、R2、R3分别选自H或碳原子数为1-6的烃基的各种酰胺类化合物对硝酸锂都有较好的溶解能力，但N上电子云密度更低时所表现出的极性更强，对硝酸锂的溶解能力也就更佳，并且酰胺类溶剂随碳原子数的增加对锂金属的稳定性越差。优选地，所述酰胺类化合物选自于化学式1-6所示的化合物中的任意一种或两种以上的混合物。其次，说明本专利技术第二方面的电解液，包含第二溶剂，添加剂及锂盐，其特征在于：所述添加剂为本专利技术第一方面所述的电解液添加剂。在本专利技术第二方面的电解液中，所述第二溶剂和锂盐均选自锂金属电池电解液常用的溶剂和锂盐，具体地，所述第二溶剂可以选自碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、三氟碳酸甲乙酯、二氟乙酸乙酯、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚和四乙二醇二甲醚中的一种或几种混合溶剂。所述锂盐可以选自六氟磷酸锂(LiPF6)、双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟甲基磺酰亚胺锂(LiFSI)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)中的一种或两种以上混合物。所述添加剂为本专利技术第一方面所述的电解液添加剂，其能使该电解液体系在正负极表面形成稳定的SEI层，保证优良的离子电导率和稳定性。进一步地，虽然其他锂金属电池的常用溶剂也能与本专利技术第一方面提供的电解液添加剂配合使电解液具有较好的离子电导率和稳定性，但大量研究发现当使用氟代碳酸乙烯酯和/或线性碳酸乙烯酯作为锂金属电池电解液中的溶剂时，电解液离子电导率和稳定性最佳。优选地，所述第二溶剂为氟代碳酸乙烯酯和/或线性碳酸乙烯酯。进一步地，所述第二溶剂在电解液中的质量占比对电解液的性能有着一定影响，氟代碳酸溶剂有利于SEI层的稳定，虽然高含量情况下，SEI层的稳定性更得到增强，但含量过多，电解液的粘度增加会导致电解液电导率降低，同时电芯的浸润性会受到影响。优选地，以电解液的总质量为基准，所述氟代碳酸乙烯酯的含量为30％-50％。优选地，所述锂盐为双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟甲基磺酰亚胺锂(LiFSI)、二草酸硼酸锂(LiBOB)和二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解液添加剂，包含第一溶剂和硝酸锂，其特征在于，所述第一溶剂为化学结构如通式Ⅰ所示的酰胺类化合物，/n

【技术特征摘要】
1.一种电解液添加剂，包含第一溶剂和硝酸锂，其特征在于，所述第一溶剂为化学结构如通式Ⅰ所示的酰胺类化合物，



其中，R1、R2、R3分别选自H或碳原子数为1-6的烃基。


2.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述硝酸锂在酰胺类化合物中的溶解力为1-6mol/L，优选为2-5mol/L。


3.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述酰胺类化合物选自于化学式1-6所示化合物中的任意一种或几种。





4.一种电解液，包含第二溶剂，添加剂及锂盐，其特征在于：所述添加剂为根据权利要求1-3任一项所述的电解液添加剂。


5.根据权利要求4所述的电解液，其特征在于，所述第二溶剂为氟代碳酸乙烯酯和/或线性碳酸乙烯酯...

【专利技术属性】
技术研发人员：程萌，李谦，刘成勇，郭永胜，胡波兵，付佳玮，梁成都，
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