一种金属电池电解液及其制备和应用方法技术

本发明专利技术提供了一种金属电池电解液及其制备和应用方法。通过降低电解液中电解质金属盐的浓度，提升惰性溶剂的比例，以构建更稳定的负极固态电解质界面膜，从而提升金属电池的库伦效率、循环稳定性以及安全性，同时超低浓度电解液的使用可大大降低电解液的成本，有利于促进金属电池的实际应用。促进金属电池的实际应用。促进金属电池的实际应用。

【技术实现步骤摘要】
一种金属电池电解液及其制备和应用方法


[0001]本专利技术属于金属电池液态电解液
，具体涉及一种金属电池电解液及其制备和应用方法。

技术介绍

[0002]储能技术是能源生产和使用过程中的重要一环，其中可充放电的锂电池作为高能量密度储能器件的代表是最关键的储能器件之一。随着电动汽车的快速发展和智能电网的大力建设，现有的锂离子电池体系已经无法满足当今社会对于可充电池高能量密度的需求，因此，具有更高能量密度的锂金属电池进入的科研工作者的视野，金属锂负极拥有最低的电极电势(
‑
3.04V)和极高的理论比容量(3860mAhg
‑1)，使得锂金属电池的能量密度有望达到500Whkg
‑1。
[0003]然而，锂金属在与传统电解液接触时容易生成一层不稳定的固态电解质界面膜，从而产生不均匀的锂沉积，诱导枝晶状锂生成从而造成电池短路，电池库伦效率低等问题。通过改变电解液成分可以有效的改善电解液中锂的配位结构，从而优化锂金属表面固态电解质膜的组成，调控锂金属的均匀沉积。例如，采用高浓度的双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)电解液可促进FSI
‑
的分解，在负极表面形成具有更高离子电导率和更优锂沉积调控能力的富无机物界面层，从而抑制锂枝晶生长，提升锂金属电池的库伦效率和循环稳定性；采用惰性溶剂与活性溶剂共混可得到局部高浓度，表观低浓度(>＝1mol L
‑1)电解液，具有和高浓度电解液类似的效果(High
‑
Voltage Lithium
‑
Metal Batteries Enabled by Localized High
‑
Concentration Electrolytes，Adv.Mater.2018,30,1706102)。但现有的局部高浓度电解液惰性溶剂/活性溶剂体积比仍然不足，更高的惰性溶剂占比有利于Li
+
和阴离子的结合，从而利于生成阴离子诱导的富无机物界面膜，获得更高库伦效率的锂金属电池，而现有方法中的低惰性溶剂比例难以进一步提升锂金属电池的库伦效率，为进一步提升惰性溶剂在电解液中的比例，就要求提升活性溶剂中的浓度，然而，锂金属电池采用最为广泛的醚类活性溶剂溶解锂盐的能力存在上限，使得现有电解液中惰性溶剂/活性溶剂体积比仍被限制在5以内。

技术实现思路

[0004]本专利技术的首要目的是提供一种金属电池超低浓度电解液，通过降低电解液中电解质金属盐的浓度来提升惰性溶剂的比例，构建更稳定的负极固态电解质界面膜，从而提升金属电池的库伦效率、循环稳定性以及安全性，同时超低浓度电解液的使用可大大降低电解液的成本，有利于促进金属电池的实际应用，本专利技术提供的局部高浓度，表观超低浓度混醚电解液解决了传统单一活性溶剂电解液以及低惰性/活性溶剂比(<5)的局部高浓电解液因界面问题导致的锂金属电池枝晶生长、SEI膜不稳定、电池循环性能差等问题。
[0005]本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种金属电池电解液，包括电解质金属盐、活性溶剂和惰性溶剂，活性溶剂包括能
溶解电解质金属盐，且与惰性溶剂互溶的溶剂；惰性溶剂/活性溶剂体积比≥5。
[0007]进一步地，惰性溶剂/活性溶剂体积比为5
‑
30。进一步优选，惰性溶剂/活性溶剂体积比为5
‑
16。
[0008]所述的金属电池电解液，所述的电解质金属盐包括：锂盐、钠盐或钾盐。
[0009]进一步地，所述的电解质锂盐包括：六氟磷酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、高氯酸锂；进一步优选为双三氟甲烷磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂。
[0010]所述的电解质钠盐包括：六氟磷酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠、双氟磺酰亚胺钠、高氯酸钠；进一步优选为双三氟甲烷磺酰亚胺钠和双氟磺酰亚胺钠。
[0011]所述的电解质钾盐包括：六氟磷酸钾、双三氟甲烷磺酰亚胺钾、双氟磺酰亚胺钾、高氯酸钾；进一步优选为双三氟甲烷磺酰亚胺钾和双氟磺酰亚胺钾。
[0012]进一步地，活性溶剂和惰性溶剂均选择醚类。
[0013]更进一步地，
[0014]所述的活性溶剂为一元或多元线性醚或环状醚，优选包括：乙醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇二乙醚、四乙二醇二甲醚、1，3
‑
二氧戊环、四氢呋喃、2
‑
甲基四氢呋喃、2,2,
‑
二甲基四氢呋喃、2,5
‑
二甲基四氢呋喃、3
‑
甲基四氢呋喃的一种或几种；进一步优选为乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚的一种或几种。
[0015]所述的惰性溶剂优选包括氟代醚；进一步优选包括：2,2,2
‑
三氟乙醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙基醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,2
‑
三氟乙基醚、甲基2,2,3,3,3
‑
五氟丙基醚、1H,1H,5H
‑
八氟戊基
‑
1,1,2,2
‑
四氟乙基醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基甲醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基乙醚、乙基1,1,2,3,3,3
‑
六氟丙醚、1,1,1,3,3,3
‑
六氟异丙基甲基醚、2,2,3,3
‑
四氟丙基二氟甲醚的一种或几种；进一步优选为2,2,2
‑
三氟乙醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙基醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,2
‑
三氟乙基醚。
[0016]活性醚类溶剂因其醚氧官能团对锂的强亲和性使得锂盐在电解液中具有高溶解度，从而达到活性溶剂中局部高浓度的特性，同时与惰性醚有良好的互溶性，可以得到宽浓度范围以及高惰性溶剂占比的电解液体系。
[0017]惰性溶剂选用氟代醚，其对锂盐有极低的溶解能力，但与活性醚有良好的互溶性，惰性醚的存在可压缩活性区域的空间，使得电解液在活性区域内保持高浓度，而整体表现超低的表观浓度。
[0018]传统的酯类和砜类电解液，因其与氟代醚的兼容性较差，在本专利技术的技术方案下难以形成均一的电解液体系。
[0019]本专利技术的第二个目的是提供所述的金属电池电解液的制备方法，将电解质金属盐、活性溶剂和惰性溶剂混匀，直至得到均一透明溶液；通过降低电解质金属盐在电解液中的浓度，减少活性溶剂的用量，进而控制惰性溶剂/活性溶剂体积比。
[0020]本专利技术的第三个目的是提供所述的金属电池电解液的应用，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属电池电解液，包括电解质金属盐、活性溶剂和惰性溶剂，其特征在于，活性溶剂包括能溶解电解质金属盐，且与惰性溶剂互溶的溶剂；惰性溶剂/活性溶剂体积比≥5。2.根据权利要求1所述的金属电池电解液，其特征在于，惰性溶剂/活性溶剂体积比为5
‑
30，进一步优选为5
‑
16。3.根据权利要求1所述的金属电池电解液，其特征在于，所述的电解质金属盐包括：锂盐、钠盐或钾盐。4.根据权利要求1所述的金属电池电解液，其特征在于，所述电解质金属盐在电解液中的摩尔浓度为不超过0.5mol L
‑1，优选为0.25
‑
0.5mol L
‑1。5.根据权利要求1所述的金属电池电解液，其特征在于，活性溶剂和惰性溶剂均选择醚类。6.根据权利要求5所述的金属电池电解液，其特征在于，所述的活性溶剂为一元或多元线性醚或环状醚，优选包括：乙醚、乙二醇二甲醚、乙二醇二乙醚、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇二乙醚、四乙二醇二甲醚、1，3
‑
二氧戊环、四氢呋喃、2
‑
甲基四氢呋喃、2,2,
‑
二甲基四氢呋喃、2,5
‑
二甲基四氢呋喃、3
‑
甲基四氢呋喃的一种或几种；进一步优选为乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚的一种或几种。所述的惰性溶剂优选包括氟代醚；进一步优选包括：2,2,2
‑
三氟乙醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3
‑
四氟丙基醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,2
‑
三氟乙基醚、甲基2,2,3,3,3
‑
五氟丙基醚、1H,1H,5H...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐有根，张佳明，王海燕，孙旦，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：