一种锂金属二次电解液和锂金属二次电池制造技术

本发明专利技术提供一种锂金属二次电解液和锂金属二次电池。所述锂金属二次电解液包括电解质盐、非水溶剂、稀释剂和离子液体；所述离子液体的阳离子选自吡咯烷类阳离子、哌啶类阳离子、咪唑类阳离子中的任意一种或至少两种的组合。本发明专利技术提出了一种通过溶剂化调控以及原位生成高无机成分含量的SEI膜，并利用静电屏蔽作用修复锂金属凸起和通过高锂盐浓度调控锂离子均匀沉积的电解液，有利于控制锂均匀沉积和抑制枝晶生长，其中本发明专利技术通过加入非水溶剂和稀释剂，并与其他组分发挥协同作用，综合提升锂金属二次电池库伦效率和循环寿命。锂金属二次电池库伦效率和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属二次电解液和锂金属二次电池


[0001]本专利技术属于电解质
，具体涉及一种锂金属二次电解液和锂金属二次电池。

技术介绍

[0002]锂金属具有极高的比容量(3860mAh
·
g
‑1)和较低的氧化还原电势(
‑
3.04Vvs.SHE)，构建的电池体系能量密度能够达到传统锂离子电池的十倍以上。然而，锂金属负极在充电过程中易产生锂枝晶：一方面，锂枝晶具有自放大行为，会刺穿隔膜并延伸至正极，从而造成电池内部短接，甚至诱发火灾爆炸等；另一方面，锂枝晶具有极高的反应性，会不断消耗电解液和活性锂，持续生成不断增厚的固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interphase，SEI)，造成较低的库伦效率和较短的循环寿命，且枝晶被SEI包裹或脱落致电化学失联形成死锂，进一步降低库伦效率。
[0003]为了解决上述问题，研究人员通过优化电解液组分、开发固态电解质、构筑人工SEI膜乙基设计三维锂沉积框架等策略来调控锂的沉积行为。构建人工SEI膜有利于缓解电解液与锂负极的副反应，设计三维锂宿主结构和复合电极在一定程度上能够有效抑制锂负极的体积膨胀，但构建人工SEI膜和设计三维锂宿主结构工艺复杂，不利于大规模生产；固态电解质虽然能较好抑制枝晶的形成，但其离子电导率较低。相比较而言，开发适合的电解液适用于现有电池体系，具有方便和经济的特点。
[0004]因此，在本领域中，期望开发一种能够调控锂沉积行为的非水电解液，不仅能够抑制锂枝晶的生成，同时具有高离子电导率以及制备得到的电池具备良好的电化学性能。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种锂金属二次电解液和锂金属二次电池。为了抑制锂金属负极的枝晶生长，使得锂金属二次电池展现良好的循环性能，本专利技术提出了一种通过溶剂化调控以及原位生成高无机成分含量的SEI膜，并利用静电屏蔽作用修复锂金属凸起和通过高锂盐浓度调控锂离子均匀沉积的电解液，有利于控制锂均匀沉积和抑制枝晶生长，其中本专利技术通过加入非水溶剂和稀释剂，并与其他组分发挥协同作用，综合提升锂金属二次电池库伦效率和循环寿命。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种锂金属二次电解液，所述锂金属二次电解液包括电解质盐、非水溶剂、稀释剂和离子液体；
[0008]所述离子液体的阳离子选自吡咯烷类阳离子、哌啶类阳离子、咪唑类阳离子中的任意一种或至少两种的组合。
[0009]本专利技术提供了一种锂金属二次电解液，具有抑制锂金属负极枝晶生长的作用，其中起到静电屏蔽作用修复锂金属凸起的溶剂是离子液体。当金属锂表面出现沉积突起时，凸起位置电场更强，离子液体阳离子在凸起处聚集，并且由于有效还原电势低于锂离子而
仅吸附形成静电屏蔽层使锂离子不再于凸起处沉积，从而抑制枝晶生长。稀释剂不溶解锂盐，与溶剂互溶，具有良好的降低粘度和提高润湿性的作用，配合电解质盐、离子液体溶剂和非水溶剂形成局部高浓度电解液，高锂离子浓度提供足够锂离子，形成均匀离子流均衡电场，进而使锂均匀沉积。非水溶剂起到溶解锂盐，增加锂盐的解离度的作用，由于非水溶剂与锂离子的结合能低于阴离子与锂离子的结合能，故参与溶剂化时更多分布于溶剂化鞘外层，溶剂化络合物到达金属锂表面时脱去外层溶剂分子，内层阴离子参与还原形成高含量无机成分的SEI膜，SEI膜具有较高稳定性、机械强度、锂离子导率和较低的锂原子粘附能，本专利技术通过加入非水溶剂和稀释剂，并与其他组分发挥协同作用，从而利于锂的均匀沉积以及抑制枝晶生长。
[0010]优选地，所述锂金属二次电解液中离子液体的质量百分含量为5％～90％，例如可以为5％，8％，10％，12％，15％，17％，20％，22％，25％，27％，30％，32％，35％，37％，40％，42％，45％，47％，50％，52％，55％，57％，60％，62％，65％，67％，70％，72％，75％，77％，80％，82％，85％，87％，90％。
[0011]作为本专利技术优选的技术方案，所述锂金属二次电解液中离子液体的质量百分含量为10％～60％，例如可以为10％，12％，15％，17％，20％，22％，25％，27％，30％，32％，35％，37％，40％，42％，45％，47％，50％，52％，55％，57％，60％。
[0012]在本专利技术中，通过调整所述锂金属二次电解液中离子液体的质量百分含量，使得电解液具有最优异的电学性能和安全性能，离子液体的质量百分含量过低，则会导致起静电屏蔽作用的阳离子少而无法有效抑制锂离子在凸起处沉积，且电解液内离子较少库仑力作用小进而阻燃效果不佳，应用于锂金属二次电池时电学性能和安全性能差，反之则会使制得的电解液粘度过大，浸润性差，应用于锂金属二次电池时电学性能差；
[0013]优选地，所述吡咯烷类阳离子具有如式1所示结构：
[0014][0015]其中，R1选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，R2选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。
[0016]优选地，所述哌啶类阳离子具有如式2所示结构：
[0017][0018]其中，R3选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，
R4选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。
[0019]优选地，所述咪唑类阳离子具有如式3所示结构：
[0020][0021]其中，R5选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，R6选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。
[0022]优选地，所述离子液体的阴离子选自双氟磺酰亚胺阴离子、双三氟甲磺酰亚胺阴离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、高氯酸根离子、二草酸硼酸根离子或二氟草酸硼酸根离子中的任意一种或至少两种的组合，例如可以为双氟磺酰亚胺阴离子和六氟磷酸根离子、双三氟甲磺酰亚胺阴离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子、高氯酸根离子、二草酸硼酸根离子或二氟草酸硼酸根离子，但不限于所列举的种类，所述离子液体的阴离子未列举的种类同样适用。
[0023]优选地，所述电解质盐选自LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiTFSI或LiFSI中的任意一种或至少两种的组合，例如可以为LiPF6和LiFSI、LiBF4、LiBOB、LiODFB、LiClO4、LiTFSI或LiFSI，但不限于所列举的种类，所述电解质盐未列举的种类同样适用。
[0024]优选地，所述锂金属二次电解液中电解质盐的质量百分含量为5％～60％，例如可以为5％，8％，10％，12％，15％，17％，20％，22％，25％，27％，30％，32％，35％，37％，40％，42％，45％，47％，50％，52％，55％，57％，60％。
[0025]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属二次电解液，其特征在于，所述锂金属二次电解液包括电解质盐、非水溶剂、稀释剂和离子液体；所述离子液体的阳离子选自吡咯烷类阳离子、哌啶类阳离子、咪唑类阳离子中的任意一种或至少两种的组合。2.根据权利要求1所述的锂金属二次电解液，其特征在于，所述锂金属二次电解液中离子液体的质量百分含量为5％～90％；优选地，所述锂金属二次电解液中离子液体的质量百分含量为10％～60％。3.根据权利要求1或2所述的锂金属二次电解液，其特征在于，所述吡咯烷类阳离子具有如式1所示结构：其中，R1选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，R2选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的锂金属二次电解液，其特征在于，所述哌啶类阳离子具有如式2所示结构：其中，R3选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，R4选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的锂金属二次电解液，其特征在于，所述咪唑类阳离子具有如式3所示结构：其中，R5选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种，R6选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、伯丁基、仲丁基或叔丁基中的任意一种。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的锂金属二次电解液，其特征在于，所述离子液体的阴离子选自双氟磺酰亚胺阴离子、双三氟甲磺酰亚胺阴离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根
离子、高氯酸根离子、二草酸硼酸根离子或二氟草酸硼酸根离子中的任意一种或至少两种的组合。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的锂金属二次电解液，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭佳幸，彭燕秋，袁中直，刘建华，刘金成，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：