一种双功能锂金属电池电解液及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种双功能锂金属电池电解液及其应用，属于二次电池领域。本发明专利技术的电解液中含有单一富氟锂盐、溶解锂盐的醚酯混合溶剂以及添加剂，具有同时稳定高压正极和锂金属负极的效果；本发明专利技术引入能在正极成膜的酯类溶剂，从而能够稳定高压正极；引入醚类溶剂，一方面改善电解液的粘度，有效提升电导率和电极浸润性，进而可以改善电解液的高低温性能；另一方面能够增强锂负极的稳定性；所采用的单一富氟锂盐不仅可以与醚类溶剂有效结合抑制其分解，并且可以在锂负极成膜进一步增强锂负极的稳定性；醚类溶剂的引入可以显著提升电解液的溶解性，进而可以引入传统酯类电解液中无法溶解的高效添加剂，再次提升电池的性能。再次提升电池的性能。再次提升电池的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种双功能锂金属电池电解液及其应用


[0001]本专利技术涉及二次电池
，更具体地说，涉及一种双功能锂金属电池电解液及其应用。

技术介绍

[0002]由于对便携式电子产品和电动汽车的需求不断增加，人们一直在追求安全、高能量密度和可充电的电池。锂金属因其高理论比容量(3860mAh/g)和最低的氧化还原电位(
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3.04V对比标准氢电极)而被认为是一种有希望进一步提高电池能量密度的负极。但是，锂金属电池的大规模应用面临着严峻的挑战，一方面锂负极在循环过程中不均匀的沉积和不稳定的界面会导致负极有限的循环寿命；另一方面正极材料在高电压时通常不稳定，结构会被破坏，从而导致活性物质的持续损失。
[0003]电解液同时与正负极相接触，被视为电池的“血液”，可以显著改善锂金属电池的循环寿命和安全性。因此，开发能够同时稳定锂负极和高压(高于4V)正极的双功能电解液对锂金属电池的实际应用具有重要意义。目前行业内研究普遍认为，醚类溶剂通常具有较低的氧化电位，因此醚类溶剂通常无法直接用于高压锂金属电池。与常规碳酸酯电解质相比，醚类对锂金属负极具有更好的稳定性，因此研究人员一直在尝试将醚类溶剂引入高压锂金属电池中。例如中国科学技术大学的焦淑红、任晓迪等人设计了一种浓缩的双盐/醚类电解液，通过增大锂盐浓度来减少自由的醚类分子，从而抑制醚的分解，使其在高电压下具有一定的稳定性，(NATURE ENERGY.2018,18
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8)。然而，增大锂盐浓度会提升电解液的成本和粘度，降低浸润性和电导率，不利于电解液的实际应用。
[0004]因此，为实现锂金属电池的实际应用，在不显著改变锂盐浓度的基础上，开发出一种能够同时稳定锂负极和高压正极的双功能锂金属电池电解液显得愈发重要。
[0005]经检索，申请号为2019111920541的申请案公开了一种稀释的混合锂盐的锂硫电池电解液，含有混合锂盐、溶解混合锂盐的溶剂和稀释剂，溶剂混合锂盐的溶剂优选地为酯类或醚类溶剂，稀释剂优选地为氟代醚类化合物或芳香类化合物。该电解液通过加入不同的锂盐按一定比例混合达到兼顾锂负极保护和硫正极容量发挥的双重功效。申请号为2013107367229的申请案公开了一种含双硼亚胺锂锂盐的电解质溶液，含双硼亚胺锂、其他锂盐、碳酸酯类和/或醚类有机溶剂和其他功能添加剂，能大大提高电解质溶液的低温性能。但并不涉及上述提到的目前锂金属电池电解液锂负极稳定性和高压性能的问题。

技术实现思路

[0006]1.专利技术要解决的技术问题
[0007]本专利技术的目的在于针对目前的锂金属电池用电解液无法同时满足锂负极稳定性和高压性能的问题，开发了一种双功能锂金属电池电解液及其应用，本专利技术的电解液，通过合理设计锂盐成分、溶剂组成、添加剂成分，实现了可使锂金属电池在高电压条件下可以稳定循环的双功能电解液，相较于传统的电解液，不仅可以在正极成膜防止电解液在高压下
的分解和正极结构的破坏，而且对锂负极同样具有优异的稳定性，从而得到一种耐高压、对锂负极稳定的双功能锂金属电池电解液，具有重大的应用价值。
[0008]2.技术方案
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：
[0010]本专利技术的一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：该电解液中含有单一富氟锂盐、用于溶解锂盐的由醚类溶剂和酯类溶剂组成的醚酯混合溶剂，以及添加剂。
[0011]更进一步地，富氟锂盐为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟磷酸锂、六氟砷酸锂、二草酸硼酸锂中的一种。
[0012]更进一步地，酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、氟代碳酸酯、碳酸丙烯酯溶剂中的至少一种。
[0013]更进一步地，醚类溶剂为二氧戊环、四氢呋喃、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚溶剂中的至少一种。
[0014]更进一步地，添加剂为硝酸锂、碳酸亚乙烯酯、联苯、环己基苯、氟苯、硫酸乙烯酯、丁二腩、己二腈、氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种。
[0015]更进一步地，醚类溶剂和酯类溶剂的体积比例为(0.5～5)：1。
[0016]更进一步地，醚酯混合溶剂与富氟锂盐的物质的量之比为(1～10)：1。
[0017]更进一步地，电解液中的富氟锂盐浓度为0.5mol/L～5mol/L。
[0018]本专利技术的一种双功能锂金属电池电解液的应用，该电解液稳定运行的电压区间为
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5V～5V，能够在大于4V的高电压下稳定运行。
[0019]更进一步地，所应用的锂电池的负极为金属锂或铜箔，正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元、硫、氧气、二氧化碳、空气中的一种或几种；锂金属电池的隔膜为聚丙烯隔膜、聚乙烯隔膜、聚丙烯和聚乙烯的复合隔膜、Al2O3涂层隔膜、玻璃纤维隔膜、聚四氟乙烯隔膜、纤维素隔膜或芳纶隔膜。
[0020]3.有益效果
[0021]采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0022](1)本专利技术的双功能锂金属电池电解液，通过引入能在正极成膜的酯类溶剂，从而能够稳定高压正极，一方面防止正极结构在高压下被破坏；另一方面防止醚类溶剂在正极处被氧化，实现了电解液稳定高压正极的功能。
[0023](2)本专利技术的双功能锂金属电池电解液，进一步在酯类溶剂中引入醚类溶剂，不仅可以改善电解液的粘度，从而有效提升电导率和电极浸润性，进而改善电解液的高低温性能；而且醚类溶剂相较于酯类溶剂对锂负极具有更好的兼容性，因此能够改善锂负极的稳定性；最后，醚类溶剂的引入还提升了电解液的溶解性，从而可以在该体系中引入传统酯类电解液中无法溶解的高效添加剂，再次提升电池的性能。实现了电解液对锂负极稳定的功能。
[0024](3)本专利技术的双功能锂金属电池电解液，所选取的富氟锂盐可以有效的稳定醚酯混合溶剂体系，一方面，该富氟锂盐与醚类溶剂具有强的结合能力，可以显著减少自由的醚类溶剂分子，防止其在正极处被氧化；另一方面，该富氟锂盐同样能够在锂负极处生成稳定的富含氟化锂的保护膜，从而进一步提升锂负极的保护效果，且所选取的锂盐浓度与常规锂盐浓度相似，不会显著提升电解液的成本，能够大规模应用，具有极高的商业价值。
[0025](4)本专利技术的双功能锂金属电池电解液的应用，可以用于下一代高能量密度锂金属电池，锂金属电池的负极为金属锂或铜箔，正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂、钛酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元、硫、氧气、二氧化碳、空气中的一种或几种，并且该电解液兼具耐高压、高性能的优势，具有极高的商业化前景。
附图说明
[0026]图1为实施例1使用单盐单醚电解液、单盐单酯电解液和本专利技术提出的双功能电解液对锂负极的库伦效率测试示意图。
[0027]图2为实施例2使用单酯类电解液和本专利技术提出的双功能电解液所组装的Li
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：该电解液中含有单一富氟锂盐、用于溶解锂盐的由醚类溶剂和酯类溶剂组成的醚酯混合溶剂，以及添加剂。2.根据权利要求1所述的一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：富氟锂盐为六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、四氟硼酸锂、二氟磷酸锂、六氟砷酸锂、二草酸硼酸锂中的一种。3.根据权利要求1所述的一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：酯类溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、氟代碳酸酯、碳酸丙烯酯溶剂中的至少一种。4.根据权利要求1所述的一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：醚类溶剂为二氧戊环、四氢呋喃、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚溶剂中的至少一种。5.根据权利要求1所述的一种双功能锂金属电池电解液，其特征在于：添加剂为硝酸锂、碳酸亚乙烯酯、联苯、环己基苯、氟苯、硫酸乙烯酯、丁二腩、己二腈、氟代碳酸乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种双功能锂金属电池电解液，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永涛，莫季生，姜智鹏，张庆安，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：