一种局部高浓度锂金属电池电解液及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种局部高浓度锂金属电池电解液及其制备方法和应用。该电解液包括锂盐、有机溶剂、添加剂和稀释剂；所述有机溶剂包含甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯中的至少一种；所述添加剂包含氟代碳酸乙烯酯、二氟双草酸磷酸锂、二氟磷酸锂中的至少一种；所述稀释剂为含氟醚类化合物。该局部高浓度电解液具有高浓度电解液的耐高电压和抑制磺酰亚胺基电解液对铝箔腐蚀的优点，同时克服了高浓度电解液高粘度、低电导率以及与隔膜浸润性差等问题，显著提升锂金属电池的循环性能和低温性能，特别适合应用于低温高压锂电池。制备方法简单，成本低廉，适合工业化生产。产。产。

【技术实现步骤摘要】
一种局部高浓度锂金属电池电解液及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种金属电池电解液，具体涉及一种局部高浓度锂金属电池电解液，还涉及其制备方法和应用，属于锂金属电池


技术介绍

[0002]锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑等小型电子设备中。在智能电网、电动汽车等大规模储能领域也得到推广。锂金属电池因其极高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的电化学电位(与标准氢电极相比
‑
3.040V)而被认为是下一代高能量密度存储器件，特别是由高压正极和锂金属组装而成的高压锂金属电池受到了越来越多的关注。
[0003]但在较低温度，尤其0℃以下时，锂电池的放电容量和放电电压急剧下降，无法满足便携式电子产品和电动汽车在低温条件下日益增长的需求。同时，在锂金属电池充放电过程中，由于锂枝晶的不可控生长和库仑效率(CE)较低，限制了高压LMBs的应用。此外，随着高压正极材料的不断开发，如高镍LiNi
x
Co
y
Mn
z
O2(x+y+z＝1)。电解液作为连接阴极和阳极的纽带，在电池系统中也起着非常重要的作用。而传统商业碳酸盐电解液氧化稳定性有限(约4.3V)，限制了其在高电压电池领域的应用。此外，在低温条件下，传统商业电解液温度操作窗口下限也较低(≥
‑
20℃)，锂离子迁移速率降低，阻抗高，提供的容量也较小。因此，研制一种能在低温条件下与高压材料兼容的电解液就显得尤为重要。
[0004]随着锂盐浓度的增加，锂盐的阳离子和阴离子与溶剂间的相互作用增强，自由态溶剂分子的含量大大减少甚至消失，形成特殊的盐
‑
溶剂配位结构，得到一种具有特殊结构的新型电解液，进而可以拓宽电化学窗口，提高锂离子迁移速率降低，提升反应动力学速率，从而改善锂离子电池的高压与低温性能。但是高浓度电解液仍有一定的缺点，如粘度高、离子导电性低、锂盐成本高等，也限制了其进一步的应用。局部高浓度电解液是在高浓度电解液基础上的改进，即在溶液中加入无法溶解Li
+
的“稀释剂”，以降低表观浓度。这不仅保证了高浓度电解液微观结构不被破坏，还降低了电解液的粘度和经济成本，提高了离子导电性，增加了其在低温高电压领域应用的更多可能性。

技术实现思路

[0005]针对现有锂金属电池电解液存在的粘度高、润湿性差、离子电导率低，低温适应性差等不足，本专利技术的第一个目的是在于提供一种局部高浓度锂金属电池电解液。该电解液的电化学窗口高，导电性能好，低温及高压适应性好，可广泛应用于低温、高压锂金属电池。
[0006]本专利技术的第二个目的是在于提供一种局部高浓度锂金属电池电解液的制备方法。该方法简单易行，成本低廉，适合工业化生产。
[0007]本专利技术的第三个目的是在于提供一种局部高浓度锂金属电池电解液的应用。将该电解液作为锂金属电池电解液，能够使得锂金属电池在极低温条件时放电容量高、长循环性能稳定，库伦效率高，安全性能好。
[0008]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种局部高浓度锂金属电池电解液，其包括锂盐、有机溶剂、添加剂和稀释剂；所述有机溶剂包含甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯中的至少一种；所述添加剂包含氟代碳酸乙烯酯、二氟双草酸磷酸锂、二氟磷酸锂中的至少一种；所述稀释剂为含氟醚类化合物。
[0009]本专利技术采用介电常数高、熔点低、粘度小的试剂作为该电解液的溶剂，一方面，能够使局部高浓度电解液溶解更多锂盐，提高锂盐浓度；另一方面，能够使局部高浓度电解液在极低温状态(
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70℃)时仍为液态，电解液未发生凝固现象，电导率较高，粘度较低。同时通过引入含特殊成分的添加剂作为成膜剂以及氟代醚类化合物作为稀释剂，成膜添加剂能在电极表面形成稳定的界面膜，可以有效稳定电极/电解液界面，提高锂金属电池循环稳定性；而稀释剂解决了高浓度电解液存在的高粘度、低电导率以及与隔膜浸润性差的问题，改善锂金属电池的循环性能和低温性能，并且氟代醚类化合物的降解还原可以在电极表面形成一层高氟含量的钝化固体电解质膜，可有效提高电池循环稳定性以及库仑效率。通过本专利技术特殊的有机溶剂、添加剂和稀释剂的协同作用，使得该局部高浓度锂金属电池电解液具有更好的电化学窗口及导电性能，并且可适应低温及高压条件。
[0010]作为一个优选的方案，锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂和/或双氟磺酰亚胺锂。
[0011]作为一个优选的方案，有机溶剂包括丙酸甲酯。该溶剂介电常数较高、熔点低，保证在在低温下不凝固的同时尽可能的溶解更多锂盐。
[0012]作为一个优选的方案，添加剂包括氟代碳酸乙烯酯，以保护以改善Li+的插层动力学，改变正极和负极表面界面膜的化学组成及性质，有利于电池在低温高电压的条件下工作。
[0013]作为一个优选的方案，稀释剂包括2,2,2
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三氟乙基
‑
1,1,2,2
‑
四氟乙基醚。
[0014]作为一个优选的方案，所述锂盐在电解液中的局部浓度为2～7mol/L，优选3～5mol/L、进一步优选为3～4mol/L、更进一步优选为3mol/L。
[0015]作为一个优选的方案，所述添加剂占电解液的体积百分比为1％～20％，优选10％。
[0016]作为一个优选的方案，所述稀释剂占电解液的体积百分比为30％～70％，优选45％～55％。
[0017]本专利技术还提供了一种局部高浓度锂金属电池电解液的制备方法，该方法是将锂盐与有机溶剂混合形成锂盐溶液，再依次加入添加剂和稀释剂，得到局部高浓度锂金属电池电解液。
[0018]本专利技术所开发和制备的局部高浓度锂金属电池电解液，在
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40℃时其电导率为0.655～0.22ms/cm。
[0019]该制备过程中，锂盐与有机溶剂配位，形成稳定的锂盐溶液，添加剂与稀释剂能够与有机溶剂互溶，可降低电解液粘度，改善电解液电导率和隔膜浸润性，提高锂金属电池的循环性能和低温性能，其中，添加剂能在电极表面形成稳定的界面膜，可以有效稳定电极/电解液界面，提高锂金属电池循环稳定性；氟代醚类化合物的降解还原可以在电极表面形成一层高氟含量的钝化固体电解质膜，可有效提高电池循环稳定性以及库仑效率。
[0020]作为一个优选的方案，所述锂盐溶液的浓度为3～5mol/L。
[0021]本专利技术还提供了一种局部高浓度锂金属电池电解液的应用，其作为锂金属电池电解液。将该电解液作为锂金属电池电解液，能够使得锂电池在极低温条件时放电容量高、长循环性能稳定，库伦效率高，安全性能好，有效解决锂金属电池低温能量损耗、电压范围小、锂枝晶严重等缺陷。
[0022]本专利技术所开发的电解液用于构建NCM811||Li电池，该电池在
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40℃、0.2C放电倍率下的放电，其放电比容量为155本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种局部高浓度锂金属电池电解液，其特征在于：所述电解液包括锂盐、有机溶剂、添加剂和稀释剂；所述有机溶剂包含甲酸甲酯、乙酸甲酯、丙酸甲酯、丁酸甲酯、丙酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、三氟乙酸甲酯、三氟乙酸乙酯中的至少一种；所述添加剂包含氟代碳酸乙烯酯、二氟双草酸磷酸锂、二氟磷酸锂中的至少一种；所述稀释剂为含氟醚类化合物；所述锂盐在有机溶剂中的浓度为2～7mol/L，优选3～5mol/L；所述添加剂占电解液的体积百分比为1％～20％；所述稀释剂占电解液的体积百分比为30％～70％；所述锂盐包括双三氟甲烷磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂盐、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂中的至少一种，所述锂盐不溶于稀释剂中。2.根据权利要求1所述的一种局部高浓度锂金属电池电解液，其特征在于：所述含氟醚类化合物包括2,2,2
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三氟乙基
‑
1,1,2,2
‑
四氟乙基醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基
‑
2,2,3,3,
‑
四氟丙基醚、1,1,1,3,3,3
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六氟异丙基甲基醚、2,2,2
‑
三氟乙醚、1,1,2,2
‑
四氟乙基甲醚中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种局部高浓度锂金属电池电解液，其特征在于：所述锂盐在有机溶剂中的浓度为3～4mol/L。4.根据权利要求1所述的一种局部高浓度锂金属电池电解液，其特征在于：所述添加剂占电解液的体积百分比10％。5.根据权利要求1所述的一种局部高浓度锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：周亮君，王维豪，余灏，韦伟峰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：