锂金属电池电解液及锂金属电池制造技术

本公开涉及一种锂金属电池电解液及锂金属电池，该锂金属电池电解液包括溶剂、硝酸锂、双(三氟甲磺酰)亚胺锂及具有通式M(OR1)的添加剂，其中M选自由钾、钠及锂所组成的组，并且R1是C1至C6烷基。本公开还涉及包括本公开的锂金属电池电解液的锂金属电池。金属电池电解液的锂金属电池。

【技术实现步骤摘要】
锂金属电池电解液及锂金属电池
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2022年4月19日提交的新加坡专利申请号10202204057W的优先权，其内容出于所有目的通过引用整体并入本文。


[0003]本公开总体上涉及锂金属电池电解液及包括该锂金属电池电解液的锂金属电池，并且更具体地，涉及包括添加剂的锂金属电池电解液及包括该锂金属电池电解液的锂金属电池。

技术介绍

[0004]由于近年来对电动汽车的需求不断增加，对高能量密度电池的需求已成为迫切需要解决的问题。于1991年由索尼率先实现商业化的锂离子电池，在人类生活的众多方面已取得了巨大的成功，尤其在电动汽车方面。然而，石墨负极较低的理论容量(约372mAh/g)限制具有较高能量密度及快充性能的锂离子电池的制造。除此之外，实用能量密度增长缓慢，并且锂离子电池正在接近理论能量密度。因此，具有较高理论容量(3860mAh/g)及最低负电化学电位(
‑
3.04V vs.SHE，其中SHE为标准氢电极，即Standard Hydrogen Electrode的缩写)的锂金属负极被认为是“圣杯”电极(“Holy Grail”electrode)，并在该发展领域备受关注(Zhao,Q.等人，“为超稳定实用锂金属电池改进碳酸酯电解液”，Angew Chem Int Ed Engl 2022，61(9)，e202116214。)。
[0005]然而，由于在锂(Li)金属负极表面形成的不均匀固态电解质界面相(SEI)所导致的与枝晶生长相关的安全问题严重阻碍了锂金属电池的发展。锂离子溶剂化结构的合理调控可以有效调整所形成的(as
‑
formed)SEI层的成分及结构。此外，富含无机物的SEI确保与锂金属的较大界面能及较高的机械强度，这可以促进所沉积的锂金属的侧向生长，并且因此抑制锂枝晶的生长。然而，在传统电解液中，对于富含无机物的SEI而言，阴离子在锂离子溶剂化鞘(solvation sheath)中的有效参与是无法实现的。
[0006]因此，希望提供锂金属电池电解液及锂金属电池，以寻求解决上述问题中的至少一个问题，或者提供至少一个替代方案。

技术实现思路

[0007]一方面，本专利技术提供一种锂金属电池电解液，包括：溶剂、硝酸锂、双(三氟甲磺酰基)亚胺锂，以及具有通式M(OR1)的添加剂，其中M选自由钾、钠及锂所组成的组，并且R1是C1至C6烷基。
[0008]在一个实施例中，所述硝酸锂具有0.1M至1.0M的浓度。
[0009]在一个实施例中，所述双(三氟甲磺酰基)亚胺锂具有0.5M至2.0M的浓度。
[0010]在一个实施例中，所述添加剂具有0.01M至0.2M的浓度。
[0011]在一个实施例中，所述溶剂选自由碳酸酯化合物、甘醇二甲醚化合物及二氧戊环
化合物所组成的组中的一种或多种材料。
[0012]第二方面，本公开提供锂金属电池，所述锂金属电池包括：包括锂金属的负极，包括由磷酸铁锂、硫及有机材料所组成的组中的一种材料的正极，设置于所述负极与所述正极之间的隔膜，以及电解液，所述电解液包括：溶剂、硝酸锂、双(三氟甲磺酰基)亚胺锂及具有通式M(OR1)的添加剂，其中M选自由钾、钠及锂所组成的组，并且R1是C1至C6烷基。
[0013]在一个实施例中，所述锂金属电池还包括以非晶态均匀分布于所述负极上的固态电解质界面相(SEI)层，其中所述SEI层包括所述SEI层上的、由来自所述硝酸锂的硝酸根(NO3‑
)阴离子的降解及来自所述双(三氟甲磺酰)亚胺锂的双(三氟甲磺酰)亚胺(TFSI
‑
)阴离子的降解所形成的两种或更多种化合物。
[0014]在一个实施例中，所述锂金属电池具有10至30的N/P比。
[0015]在一个实施例中，所述硝酸锂具有0.1M至1.0M的浓度，所述双(三氟甲磺酰)亚胺锂具有0.5M至2.0M的浓度，并且所述添加剂具有0.01M至0.2M的浓度。
附图说明
[0016]在附图中，相同的附图标记在不同的视图中通常指代相同的部件。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明各种实施例的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本公开的各个实施例。
[0017]图1A示出二甲氧基乙烷(dimethoxyethane，DME)溶剂、DME:二氧戊环(dioxolane，DOL)(体积比为1:1)中的1M LiTFSI、对照组电解液(blank electrolyte)及根据本公开的电解液的拉曼光谱。
[0018]图1B示出具有对照组电解液及图1A的电解液的、Li
‑
Cu电池的不对称电池在0.1mV s
‑1下、在2.5V至0V vs.Li/Li
+
范围的电压下采集的循环伏安曲线。
[0019]图1C示出具有对照组电解液及图1A的电解液的、Li
‑
Cu电池的不对称电池在0.1mV s
‑1下、在0.3V至
‑
0.1V vs.Li/Li
+
范围的电压下采集的循环伏安曲线。
[0020]图1D示出对照组电解液在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
[0021]图1E示出图1A的电解液在不同扫描速率下的循环伏安曲线。
[0022]图1F示出在对照组电解液中的电池及图1A的电解液中的电池在不同扫描速率下的曲线的lg(氧化峰值电流)关于lg(扫描速率)的线性拟合。
[0023]图2A至图2E示出对照组电解液中锂枝晶的冷冻透射电镜(Cryo
‑
transmission electron microscope，Cryo
‑
TEM)图像。
[0024]图2F示出图1A的电解液中锂枝晶的冷冻透射电镜图像。
[0025]图2G至图2L示出锂枝晶的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(Cryo
‑
(high
‑
angle annular dark
‑
field)
‑
scanning transmission electron microscope，Cryo
‑
HAADF
‑
STEM)图像及图2F的选定区中的电子能量损失光谱元素分布图(electron energy loss spectroscopy elemental maps)，其表明锂枝晶中的Li、F、O、C、K及N的分布。
[0026]图3A示出25℃下为对照组电解液及图1A的电解液采集的电化学阻抗谱的比较。
[0027]图3B示出在对照组电解液及图1A的电解液中的SEI表面附近的Li
+
去溶剂化及穿过SEI的Li
+
扩散的E
a
值的比较。
[0028]图3C示出对照组电解液中的电极在0℃至30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池电解液，包括：溶剂；硝酸锂；双(三氟甲磺酰基)亚胺锂；以及具有通式M(OR1)的添加剂，其中M选自由钾、钠及锂所组成的组，并且R1是C1至C6烷基。2.根据权利要求1所述的锂金属电池电解液，其中所述硝酸锂具有0.1M至1.0M的浓度。3.根据权利要求1或2所述的锂金属电池电解液，其中所述双(三氟甲磺酰基)亚胺锂具有0.5M至2.0M的浓度。4.根据前述权利要求中任一项所述的锂金属电池电解液，其中所述添加剂具有0.01M至0.2M的浓度。5.根据权利要求1所述的锂金属电池电解液，其中所述溶剂选自由碳酸酯化合物、甘醇二甲醚化合物及二氧戊环化合物所组成的组中的一种或多种材料。6.根据权利要求5所述的锂金属电池电解液，其中所述溶剂包括1,2
‑
二甲氧基乙烷与1,3
‑
二氧戊环的混合物。7.根据权利要求1所述的锂金属电池电解液，其中R1是甲基。8.根据权利要求1或7所述的锂金属电池电解液，其中M是钾。9.一种锂金属电池，包括：负极，所述负极包括锂金属；正极，所述正极选自由磷酸铁锂、硫及有机材料所组成的组中的一种材料；隔膜，所述隔膜设置于所述负极与所述正极之间；以及电解液，所述电解液包括：溶剂；硝酸锂；双(三氟甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨进林，姜重来，陈伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：