一种电池负极表面保护组合物及其电解液和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种电池负极表面保护组合物，所述组合物至少包含非水有机溶剂和添加剂，其中，所述非水有机溶剂包括成膜溶剂，所述添加剂包括磷腈化合物，还提供了其电解液和应用。成膜溶剂和磷腈化合物可以产生协同效应，使得负极表面的SEI保护层更为稳定。以金属锂为负极时，金属锂沉积更加均匀，锂枝晶显著减少甚至消失，电池的循环性得到了显著提升。同时，原有的阻燃性能和对高电压正极循环的提升都未受任何影响，因此，本发明专利技术提供的电解液技术方案是一种对负极、正极和电池安全都有明显益处的多功能电解液。

【技术实现步骤摘要】
一种电池负极表面保护组合物及其电解液和应用
本专利技术属于电池
，具体涉及一种电池负极表面保护组合物及其电解液和应用。
技术介绍
动力电池和3C消费电子市场的快速发展，对于储能元器件的电池在能量密度、循环性和安全性方面提出了更高的要求。锂离子电池作为能量密度最高的化学储能体系，已经得到了广泛的研究和应用，目前锂离子电池的能量密度可达250Wh/kg。金属锂是一种非常理想的负极材料，因其比容量高达3860mAh/g，电化学势为-3.04V(vs.标准氢电极)，简单的计算可知，如果将现有锂离子电池的负极更换为金属锂，那么就可以获得440Wh/kg的能量密度。然而金属锂负极至今无法实现商用化的核心问题在于：安全性和循环寿命。因为1)金属锂本身具有超高的化学活性，容易与电解液发生副反应；2)由于电流分布的不均匀，金属锂的沉积也不均匀，使得金属锂表面形成锂枝晶，当锂枝晶生长到一定程度的时候就可能穿透隔膜，带来安全隐患，如果枝晶断裂则会形成“死锂”，造成容量的不可逆损失；同时，金属锂不均匀的沉积也会造成负极巨大的体积膨胀，给电池设计带来困难。目前商用化最为广泛的电解液体系是以LiPF6作为锂盐，环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物作为溶剂的电解液，通常也会加入少量添加剂以改善负极界面、提高安全性等等。这类电解液只适用于以石墨为负极的传统锂离子电池中，在以金属锂为负极的体系中，存在上述提到的问题，循环性和安全性都无法得到保证。并且适用的电压范围有限，在高电压下电解液不稳定，因此无法适用于能量密度更高的高电压体系。因此需要研发新的电解液体系或者寻找新的添加剂来满足以金属锂为负极电池体系和高电压电池体系的需求。
技术实现思路
因此，针对现有技术存在的不足，针对金属锂负极易形成枝晶和循环性能不足的问题，提供了一种电池负极表面保护组合物及其电解液和应用。在阐述本专利技术的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“EC”是指：碳酸乙烯酯。术语“DMC”是指：碳酸二甲酯。术语“VC”是指：碳酸亚乙烯酯。术语“FEC”是指：氟代碳酸乙烯酯。术语“PFPN”是指：乙氧基五氟环三磷腈。术语“LiDFOB”是指：二氟草酸硼酸锂。术语“VEC”是指：碳酸乙烯亚乙酯。术语“DTD”是指：硫酸乙烯酯。术语“ES”是指：亚硫酸乙烯酯。术语“PS”是指：亚硫酸丙烯酯。术语“VES”是指：乙烯基亚硫酸乙烯酯。术语“FPS”是指：3氟代丙烷磺酸内酯。术语“PST”是指：1，3-丙磺酸内酯。术语“PES”是指：1,3-丙烯基-磺酸内酯。术语“VTC”是指：3硫代碳酸亚乙烯酯。术语“TPSA”是指：2-(三苯基亚磷基)丁二酸酐。本专利技术的第一方面提供了一种电池负极表面保护组合物，所述组合物至少包含非水有机溶剂和添加剂，其中，所述非水有机溶剂包括成膜溶剂，所述添加剂包括磷腈化合物。根据本专利技术第一方面的组合物，其中，所述磷腈化合物为如式1所示结构的化合物：其中R1、R2、R3、R4、R5、R6各自独立地选自氟原子、含氟或不含氟的苯氧基、含氟或不含氟的碳原子数为1～3的烷氧基，且R1、R2、R3、R4、R5、R6可以相同或不同。根据本专利技术第一方面的组合物，其中，所述磷腈化合物选自以下一种或多种：全氟环三磷腈、甲氧基五氟环三磷腈、乙氧基五氟环三磷腈、正丙氧基五氟环三磷腈、异丙氧基五氟环三磷腈、苯氧基(五氟)环三磷腈、五氟乙氧基五氟环三磷腈、三氟甲氧基五氟环三磷腈、三氟乙氧基五氟环三磷腈、双(三氟甲氧基)四氟环三磷腈；优选地，所述磷腈化合物为乙氧基五氟环三磷腈。根据本专利技术第一方面的组合物，其中，所述成膜溶剂选自以下一种或多种：碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、氟代碳酸乙烯酯、乙烯基亚硫酸乙烯酯、3氟代丙烷磺酸内酯、1，3-丙磺酸内酯、1,3-丙烯基-磺酸内酯、3硫代碳酸亚乙烯酯、2-(三苯基亚磷基)丁二酸酐；优选地，所述成膜溶剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯和/或氟代碳酸乙烯酯。根据本专利技术第一方面的组合物，其中，所述的非水有机溶剂还包括以下溶剂中的一种或多种：环状碳酸酯、链状碳酸酯、羧酸酯、醚类溶剂；优选地，所述环状碳酸酯选自以下一种或多种：碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、γ-丁内酯；所述链状碳酸酯选自以下一种或多种：碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯；所述羧酸酯选自以下一种或多种：乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸异丙酯、乙酸正丁酯、丙酸甲酸、丙酸乙酯、丙酸正丙酸、丙酸异丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯；和/或所述醚类溶剂选自乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、四氢呋喃、1,3-二氧戊烷中的一种或多种。根据本专利技术第一方面的组合物，其中，所述磷腈化合物与所述成膜溶剂的质量配比：为0.01：99至30：0.01，优选为1：30～15至30：1。本专利技术的第二方面提供了第一方面的组合物在制备电池负极、电池电解液和/或电池产品中的应用。本专利技术的第三方面提供了一种电解液，所述电解液包括锂盐和第一方面的组合物。根据本专利技术第三方面的电解液，其中，所述的锂盐选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、双(三氟甲基磺酸)亚胺锂、双(氟磺酰)亚胺锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、三氟甲基磺酸锂、六氟砷酸锂、二氟磷酸锂的一种或多种；和/或所述的锂盐浓度为0.05mol/L～3mol/L，优选为0.8mol/L～1.8mol/L。本专利技术的第四方面提供了一种电池，其中，所述电池包含：第一方面的组合物、或第三方面的电解液；优选地，所述电池为金属锂电池和/或锂离子电池；更优选地，所述电池的负极包括金属锂、锂合金或者含金属锂的复合物或所述电池的负极为硅碳负极或石墨负极。本专利技术的目的是通过下面的技术方案实现的：本专利技术提供了一种提升的金属锂电池安全和循环性能的多功能电解液，以及其制备方法和应用。本专利技术还提供一种金属锂电池多功能电解液，包括：锂盐、非水有机溶剂和添加剂，其中，所述的非水有机溶剂包括可成膜的溶剂，所述的添加剂包括磷腈化合物。成膜溶剂通常作为成膜添加剂少量的加入以石墨为负极的锂离子电池中，可以在放电过程中发生还原反应在负极表面形成SEI膜，在以金属锂为负极的锂电池中，添加成膜溶剂也可以一定程度上提高电池的循环性，但是最终仍然无法解决锂枝晶的问题。磷腈化合物通常在锂离子电池电解液中作为阻燃剂使用，可在一定温度下释放自由基团，自由基团与易燃的活性基团结合，起到阻燃作用。并且，磷腈化合物也可在充电过程中氧化聚合在正极表面形成耐氧化的SEI保护层，提高锂离子电池高电压性能，是一种常用的多功能添加剂。基于上述的发现和思路，本专利技术的技术方案提出了一种金属锂电池多功能电解液，包括：锂盐、非水有机溶剂和添加剂，其中，所述的非本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池负极表面保护组合物，其特征在于，所述组合物至少包含非水有机溶剂和添加剂，其中，所述非水有机溶剂包括成膜溶剂，所述添加剂包括磷腈化合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种电池负极表面保护组合物，其特征在于，所述组合物至少包含非水有机溶剂和添加剂，其中，所述非水有机溶剂包括成膜溶剂，所述添加剂包括磷腈化合物。


2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述磷腈化合物为如式1所示结构的化合物：



其中R1、R2、R3、R4、R5、R6各自独立地选自氟原子、含氟或不含氟的苯氧基、含氟或不含氟的碳原子数为1～3的烷氧基，且R1、R2、R3、R4、R5、R6可以相同或不同。


3.根据权利要求1或2所述的组合物，其特征在于，所述磷腈化合物选自以下一种或多种：全氟环三磷腈、甲氧基五氟环三磷腈、乙氧基五氟环三磷腈、正丙氧基五氟环三磷腈、异丙氧基五氟环三磷腈、苯氧基(五氟)环三磷腈、五氟乙氧基五氟环三磷腈、三氟甲氧基五氟环三磷腈、三氟乙氧基五氟环三磷腈、双(三氟甲氧基)四氟环三磷腈；
优选地，所述磷腈化合物为乙氧基五氟环三磷腈。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合物，其特征在于，所述成膜溶剂选自以下一种或多种：碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、亚硫酸丙烯酯、1,3-丙烷磺酸内酯、氟代碳酸乙烯酯、乙烯基亚硫酸乙烯酯、3氟代丙烷磺酸内酯、1，3-丙磺酸内酯、1,3-丙烯基-磺酸内酯、3硫代碳酸亚乙烯酯、2-(三苯基亚磷基)丁二酸酐；
优选地，所述成膜溶剂为碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯和/或氟代碳酸乙烯酯。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的组合物，其特征在于，所述的非水有机溶剂还包括以下溶剂中的一种或多种：环状碳酸酯、链状碳酸酯、羧酸酯、醚类溶剂；
优选地，所述环...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭佳悦，李泉，黄杰，李泓，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11