一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液制造技术

本发明专利技术公开了一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，属于锂电池技术领域。本发明专利技术的电解液中含有单一锂盐、溶解锂盐的醚类溶剂、有机添加剂和无机添加剂。锂盐为富含氟元素的单一锂盐；电解液中同时包含有机添加剂和无机添加剂。本发明专利技术针对现有技术中传统锂金属电池使用的醚类电解液无法在高电压下稳定循环的问题，通过协同添加剂精准调控电解液的溶剂化结构和电极界面的化学成分，不仅能有效抑制溶剂和溶质的分解，还能在电极上形成坚固的有机

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体地，涉及一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIBs)被广泛应用于便携式设备、电动汽车和电网储能，但LIBs的能量密度正在接近天花板，难以满足未来的能源需求。开发下一代高能量密度电池系统至关重要。金属锂(Li)有最高的理论比容量(3860mAh
·
g
‑1)和最低的氧化还原电位(
‑
3.04V vs.SHE)，是下一代负极的理想材料。而提高电池的工作电压是提高其能量密度的另一种有效方法。因此，高电压锂金属电池是未来高能量密度电池系统的强有力候选者。
[0003]但是，高电压锂金属电池在电解液的选择方面陷入了困境，电解液在实现电池正负极稳定性方面有十分重要的作用。目前，高电压锂金属电池中使用的电解液主要是碳酸酯溶剂(环状和线性碳酸酯的混合物)，但其对锂负极的稳定性较差，故导致电池的库仑效率(CE)低。相比之下，醚类溶剂被认为是最具潜力的锂金属电池电解液的候选溶剂，因为其对锂负极具有优异的稳定性并且具有较强的电导率和较宽的液程。
[0004]但是醚类溶剂通常具有较差的抗氧化性能，故其不能直接用于高电压锂金属电池。目前人们通常使用：(1)增大电解液浓度，采用高浓电解液或局部高浓电解液。最大限度地减少自由的溶剂分子，从而抑制醚类溶剂的分解，以实现高电压循环；(2)使用弱溶剂化溶剂。通过降低醚类溶剂的溶剂化能力，促进锂盐的分解，从而在正极形成稳定的保护层，防止电解液在高电压下分解。
[0005]然而，上述这些策略都会显著的降低醚类电解液的电导率，并且会大大增加电解液的成本，不利于实际应用。因此，需要设计新型的高电压醚类电解液，在不影响电解液电导率的情况下实现高压锂金属电池的稳定循环。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对目前的锂金属电池用醚类电解液在常规浓度下无法匹配高压正极的缺点，开发了一种新型的高电压醚类锂金属电池电解液。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醚类电解液。此电解液相较于传统的电解液，不仅可以在有效抑制醚类溶剂和锂盐在高电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、对锂负极稳定的锂金属电池电解液。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008]一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，该电解液中含有单一锂盐、溶解锂盐的醚类溶剂以及有机添加剂和无机添加剂。
[0009]该电解液仅使用单一锂盐就具有较高的离子导电性和对锂金属负极的良好稳定性。首先在体系中使用醚类溶剂，一方面改善电解液的粘度，有效提升电导率和电极浸润
性，且具有较强的电导率和较宽的液程；另一方面醚类溶剂的凝固点和沸点相差较大，可以改善电解液的高低温性能，进而能够增强锂负极的稳定性。但是，醚类溶剂作为电解液在高压环境下的循环性能差。因此，本专利技术采用对集流体稳定的的锂盐，不会在高电压下腐蚀铝箔；另一方面该锂盐分子中含有大量的氟元素，能够分解形成对界面稳定性有益的LiF，进一步提升高压环境下的电解液性能。然而，此类富氟锂盐在正负极处易分解，会影响电池的使用性能。进一步的，本专利技术专利设计了一种共同添加有机和无机添加剂的协同调节策略，一方面，添加剂与锂离子具有强的结合能力，能够分布于内溶剂化鞘层中，调节电解液的溶剂化结构，优先于锂盐和溶剂在正负极界面出发生分解形成稳定且特殊的有机无机双层保护层，该保护层可以进一步抑制后续电解液的副反应，增强电极的稳定性。最终，在上述设计思路下，可以得到对使锂金属电池在高电压下稳定循环的新型醚类电解液。
[0010]优选地，所述的单一锂盐为六氟磷酸锂，二氟草酸硼酸锂，双氟磺酰亚胺锂，双三氟磺酰亚胺锂，三氟乙酸锂，二氟二氧磷锂，四氟硼酸锂，六氟砷酸锂中的一种。
[0011]优选地，所述的醚类溶剂为1，3
‑
二氧戊环，四氢呋喃，2
‑
甲基四氢呋喃，乙二醇二乙醚，乙二醇二甲醚，二乙二醇二甲醚，三乙二醇二甲醚，四乙二醇二甲醚等醚类溶剂中的一种或几种。
[0012]优选地，所述的有机添加剂为氟代碳酸乙烯酯，碳酸亚乙烯酯，硫酸亚乙酯，碳酸乙烯亚乙酯，乙基苯，噻吩，双氟代碳酸乙烯酯中的一种或者几种。
[0013]优选地，所述的无机添加剂为草酸锂，硝酸锂，多硫化锂，四苯硼锂，碘化锂，溴化锂，高氯酸锂中的一种或者几种。
[0014]优选地，所述的电解液中单一锂盐的浓度为0.5mol/L～5mol/L。
[0015]优选地，所述的有机添加剂在溶剂中的质量分数为0.1wt％
‑
10wt％。
[0016]优选地，所述的无机添加剂在溶剂中的浓度为0.1mol/L～1mol/L。
[0017]优选地，该电解液能够在大于4V的高电压下稳定运行，从而可以匹配多种高压正极材料，可稳定运行的电压区间为
‑
5V～5V。
[0018]优选地，所应用的高电压锂金属电池的负极为金属锂及各类锂合金复合材料，正极为包括锰酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元、磷酸铁锂、钴酸锂、镍酸锂的高电压型正极材料，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。
[0019]本专利技术的有益效果：
[0020]1)本专利技术使用单一锂盐就具有较高的离子导电性和对锂金属负极的良好稳定性。首先在体系中使用醚类溶剂，一方面改善电解液的粘度，有效提升电导率和电极浸润性，且具有较强的电导率和较宽的液程；另一方面醚类溶剂的凝固点和沸点相差较大，可以改善电解液的高低温性能，进而能够增强锂负极的稳定性。
[0021]2)其次，本专利技术采用对集流体稳定的的锂盐，不会在高电压下腐蚀铝箔；另一方面该锂盐分子中含有大量的氟元素，能够分解形成对界面稳定性有益的LiF，进一步提升高压环境下的电解液性能。并且，本专利技术中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。
[0022]3)进一步的，本专利技术专利设计了一种共同添加有机和无机添加剂的协同调节策略，一方面，添加剂与锂离子具有强的结合能力，能够分布于内溶剂化鞘层中，调节电解液
的溶剂化结构，优先于锂盐和溶剂在正负极界面出发生分解形成稳定且特殊的有机无机双层保护层，该保护层可以进一步抑制后续电解液的副反应，增强电极的稳定性。
[0023]4)最后，利用本专利技术制备的电解液可以用于下一代高能量密度锂金属电池，具有高电导率，耐低温，耐高压的优势，有着广阔的应用前景。
附图说明
[0024]下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。
[0025]图1为实施例1使用不同锂盐组成的高压醚类电解液组装的Li
‑
Cu电池的循环曲线。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，其特征在于，该电解液中含有单一锂盐、溶解锂盐的醚类溶剂以及有机添加剂和无机添加剂。2.根据权利要求1所述的一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，其特征在于，所述的单一锂盐为六氟磷酸锂，二氟草酸硼酸锂，双氟磺酰亚胺锂，双三氟磺酰亚胺锂，三氟乙酸锂，二氟二氧磷锂，四氟硼酸锂，六氟砷酸锂中的一种。3.根据权利要求1所述的一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，其特征在于，所述的醚类溶剂为1，3
‑
二氧戊环，四氢呋喃，2
‑
甲基四氢呋喃，乙二醇二乙醚，乙二醇二甲醚，二乙二醇二甲醚，三乙二醇二甲醚，四乙二醇二甲醚等醚类溶剂中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，其特征在于，所述的有机添加剂为氟代碳酸乙烯酯，碳酸亚乙烯酯，硫酸亚乙酯，碳酸乙烯亚乙酯，乙基苯，噻吩，双氟代碳酸乙烯酯中的一种或者几种。5.根据权利要求1所述的一种用于锂金属电池的高电压醚类电解液，其特征在于，所述的无机添加剂为草酸锂，硝酸锂，多硫化锂，四苯硼锂，碘化锂，溴化锂，高氯...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹佳航，杨涵旭，丁昱文，张昌豪，张军，杨锦祥，闫荣喜，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：