锂金属电池用添加剂、电解液及其锂金属电池制造技术

本发明专利技术涉及一种锂金属电池用添加剂、电解液及其锂金属电池，属于锂电池技术领域，所述锂金属电池用添加剂为含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂的混合物，通过含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂三者的协同作用，在锂金属负极表面形成了机械强度高、柔韧性好、离子电导率高的均匀致密SEI膜，可以有效抑制锂枝晶的产生，提高锂金属电池的循环寿命。命。

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池用添加剂、电解液及其锂金属电池


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体地，涉及锂金属电池用添加剂、电解液及其锂金属电池。

技术介绍

[0002]锂金属电池指利用金属锂作为负极的电池，与其相搭配的正极材料可以是氧气、单质硫、金属氧化物、二氧化锰、磷酸铁锂等物质，其电解液为非水解电解质溶液，锂金属电池因具有高理论比容量和最低的氧化还原电位等优点被广泛研究。
[0003]然而，锂金属电池在实际应用中存在很多问题需要克服。金属锂具有高反应活性，在其表面生成的固体电解质界面(SEI)膜不稳定，在充电过程中会产生不规则的锂枝晶以及“死锂”，从而导致锂金属电池表现出较差的库伦效率和循环寿命，甚至引起安全事故，极大制约了金属锂负极的应用。目前通过优化电解液组分得到稳定性强、机械性能好、且锂离子均匀沉积的SEI膜，从而抑制锂枝晶的生长得到库伦效率高和循环稳定好的锂金属电池的方法被广泛研究，而向电解液中加入添加剂是优化电解液组分最常用方法之一。
[0004]现有研究者使用多环芳烃作为添加剂，形成具有平面共形结构、优异机械性能、可以调控锂离子均匀沉积及抑制锂枝晶产生的SEI膜，但是多环芳烃含有大量苯环，导致柔韧性较差，在循环过程中容易破裂脱落，导致金属锂直接暴露在电解液中，进而导致库伦效率下降、循环寿命降低。因此，需要制备一种既可以使锂离子平面化共形沉积又具有柔韧性的SEI膜。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种锂金属电池用添加剂、电解液及其锂金属电池，该添加剂为含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂的混合物，可显著提高锂金属电池的库伦效率和循环寿命。
[0006]本专利技术要解决的技术问题：现有研究者使用多环芳烃作为添加剂，形成具有平面共形结构、优异机械性能、可以调控锂离子均匀沉积及抑制锂枝晶产生的SEI膜，但是多环芳烃含有大量苯环，导致柔韧性较差，在循环过程中容易破裂脱落，导致金属锂直接暴露在电解液中，进而导致库伦效率下降、循环寿命降低。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008]本专利技术第一方面提供了一种锂金属电池用添加剂，其包括含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂。
[0009]进一步地，含有氨基的多环芳烃为3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酰肼、1,5
‑
二氨基蒽醌、苯并菲
‑
1,5,9
‑
三胺、还原红10、活性艳蓝K
‑
GR中的至少一种。
[0010]进一步地，含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂的质量比为(1
‑
5)：(0.05
‑
2)：(0.05
‑
3)。
[0011]上述制备的锂金属电池用添加剂为含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂
的混合物，硝酸锂还原分解生成Li3N和LiN
x
O
y
，在锂金属表面形成电化学性能稳定、离子电导率高的无机层。电解液中的锂盐和硝酸锂可以作为引发剂促进含有氨基的多环芳烃与锂金属反应，生成平面化的均匀的有机层，可以促进锂离子均匀沉积，进而抑制锂枝晶的产生；另外，多环芳烃含有带电负性的氮杂原子，对锂离子具有吸引力，其沉积在负极表面后有利于锂离子通过，进而提高锂金属电池的倍率性能。由含有共轭大苯环的多环芳烃形成的平面化膜层机械强度高，但是柔韧性不佳，无法适应充放电过程引起的体积变化产生的应力，容易引起SEI膜破裂，导致锂金属电池的库伦效率和循环稳定性下降。本专利技术在添加剂中加入碳酸亚乙烯酯，碳酸亚乙烯酯含有碳碳双键，容易断裂，在金属锂表面发生开环反应形成聚合物膜有机层，有助于提高SEI膜的柔韧性，同时该聚合物膜可以与含有氨基的多环芳烃形成的膜层产生氢键作用，从而提高SEI膜的致密性，进而提高锂金属电池的库伦效率和循环寿命。
[0012]本专利技术第二方面提供了一种锂金属电池用电解液，包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，其中，添加剂为上述的添加剂。
[0013]进一步地，锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双草酸硼酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂中的至少一种。
[0014]进一步地，锂盐在电解液中的浓度为0.1
‑
3M。
[0015]进一步地，非水有机溶剂为醚类有机溶剂和碳酸脂类有机溶剂的混合物。
[0016]进一步地，醚类有机溶剂和碳酸脂类有机溶剂的质量比为1
‑
3：1。
[0017]进一步地，醚类有机溶剂为1,3
‑
二氧戊环、乙二醇二甲醚、二乙二醇单甲醚，丙二醇甲醚，二丙二醇二甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚中的至少一种。
[0018]进一步地，碳酸脂类有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸戊烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯中的至少一种。
[0019]进一步地，在电解液中，添加剂的质量分数为1.1
‑
10％。
[0020]本专利技术第三方面提供了一种锂金属电池，包括正极、负极、上述的电解液；负极为金属锂或锂合金；锂合金为Li
‑
Sn合金、Li
‑
Sn
‑
O合金、Li
‑
Mg合金、Li
‑
B合金、Li
‑
Al合金中的至少一种；正极为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、含锂磷酸盐中的至少一种。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022](1)本专利技术技术方案中，提供了一种锂金属电池用添加剂，包括含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂，硝酸锂还原分解生成Li3N和LiN
x
O
y
，在锂金属表面形成电化学性能稳定、离子电导率高的无机层。电解液中的锂盐和硝酸锂可以作为引发剂促进含有氨基的多环芳烃与锂金属反应，生成平面化的均匀的有机层，可以促进锂离子均匀沉积，进而抑制锂枝晶的产生；另外，多环芳烃含有带电负性的氮杂原子，对锂离子具有吸引力，其沉积在负极表面后有利于锂离子通过，进而提高锂金属电池的倍率性能。碳酸亚乙烯酯含有碳碳双键，容易断裂，在金属锂表面发生开环反应形成聚合物膜有机层，有助于提高SEI膜的柔韧性，同时该聚合物膜可以与含有氨基的多环芳烃形成的膜层产生氢键作用，从而提高SEI膜的致密性。
[0023](2)本专利技术技术方案中，通过含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂三者的协同作用，在锂金属负极表面形成了机械强度高、柔韧性好、离子电导率高的致密SEI膜，可
以有效抑制锂枝晶的产生，提高锂金属电池的循环寿命。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池用添加剂，其特征在于，包括含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂。2.根据权利要求1所述的一种锂金属电池用添加剂，其特征在于，所述含有氨基的多环芳烃为3,4,9,10
‑
苝四甲酸二酰肼、1,5
‑
二氨基蒽醌、苯并菲
‑
1,5,9
‑
三胺、还原红10、活性艳蓝K
‑
GR中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种锂金属电池用添加剂，其特征在于，所述含有氨基的多环芳烃、碳酸亚乙烯酯和硝酸锂的质量比为(1
‑
5)：(0.05
‑
2)：(0.05
‑
3)。4.一种锂金属电池用电解液，其特征在于，包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为权利要求1
‑
3中任意一项所述的添加剂。5.根据权利要求4所述的一种锂金属电池用电解液，其特征在于，在电解液中，所述添加剂的质量分数为1.1
‑
10％。6.根据权利要求4所述的一种锂金属电池用电解液，其特征在于，所述锂盐为六氟磷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、双草酸硼酸锂、双(三氟甲基磺酰)亚胺锂、双氟磺酰亚...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵曙光，穆世慧，赵慈航，
申请(专利权)人：北京民利储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：