[發明專利]一種穩定金屬鋰沉積的電解液及其在鋰金屬電池中的應用

有效

• 申請號: 201910271907.4
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN111786019B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 賴延清;洪波;高春暉;向前;范海林
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/052
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明屬于鋰金屬電池領域，具體公開了一種穩定金屬鋰沉積的電解液；包含導電鋰鹽、有機溶劑和添加劑組成的有機溶液；所述的所述的添加劑為納米級的氮化硼、氮化鋁、氮化鈣、氮化鎂、氮化硅、氮化鈦、氮化釩、氮化鎢、氮化鈮、氮化鉭中的一種或幾種。本發明還包括所述的電解液的應用以及包含所述電解液的鋰金屬電池。本發明所述電解液配方簡單、成本低廉且適合大規模產業化。采用本發明所述電解液可以實現均勻的鋰沉積，有效避免充放電過程中的鋰枝晶，極大的改善了其循環性能安全性能。該電解液可以作為鋰硫電池、鋰空電池等以金屬鋰為負極的儲能器件中，實現其長循環的穩定性。

技術領域

本發明涉及一種穩定金屬鋰沉積的電解液，屬于儲能材料及納米技術領域。

背景技術

隨著人們對儲能設備的需求越來越高、對鋰離子電池的能量密度要求也越來越高，目前傳統鋰離子電池已經不能滿足對高能量密度儲存設備的要求，產業化鋰離子電池的正負極材料的能量密度已經接近理論能量密度，很難再有較大的提高，鋰憑借其超低的電化學勢和超高的比能量，被譽為“圣杯級”負極材料，以鋰金屬為負極的鋰三元電池、鋰硫電池、鋰氧電池等因其能量密度高、成本低、環境友好等顯著優勢，已經成為新能源電池領域的研究熱點。

不同于常規的鋰離子電池的陽極發生的是鋰離子在石墨陽極中的嵌入和脫出；鋰金屬電池陽極的充放電過程是鋰金屬的溶解和沉積過程；其基本反應式為：充電:Li⁺+e＝Li；放電:Li-e＝Li⁺。而金屬鋰在反復充放電過程中易出現粉化、枝晶等問題，導致其循環性能較差，鋰枝晶刺穿隔膜造成電池短路還有可能引發嚴重的安全事故。因此，對于各類以鋰為負極的儲能器件來說，不解決金屬鋰負極的問題，這類電池很難實現產業化。

從電化學的角度來看，鋰負極枝晶問題的本質原因在于鋰在電化學沉積溶解過程溶解過程的不均勻性和金屬鋰與電解液之間的高反應活性。理論上的解決方案可從兩個方面入手，一是降低其電極反應過程中的交換電流密度，二是盡可能的降低或消除鋰離子擴散過程中的擴散傳質的影響，均勻化鋰離子的傳質通量。目前針對鋰負極的枝晶生長問題的解決策略大致可以分為以下幾種：(1)在負極表面構筑人造固體電解質界面(SEI)膜，或采用電解液成膜添加劑；(2)采用高濃度電解液或脈沖沉積(3)采用固態電解質、聚合物電解質或凝膠電解質作為鋰負極表面修飾層；(4)采用多孔或空心的三維導電集體為鋰的沉積基底。這些方法均能在一定程度上解決枝晶問題，提升鋰負極性能，但是往往作用有限，例如人造SEI膜在一定程度上可以延緩枝晶的生長，但是在大電量長循環的情況下，仍無法解決體積效應帶來的問題；固態電解質可以改善鋰離子對流傳質，但是在實際電池中固態電解質和鋰負極之間很難形成和維持均勻的接觸界面，仍然會造成負極表面電流密度分布的不均勻，引起鋰枝晶生長；而三維導電集體雖然能夠很好的緩解鋰沉積過程中的體積效應，但是更大的比表面積導致了更多的SEI膜的生成，反而增大了電極表觀交換電流密度，使鋰沉積更加不均勻。

而電解液作為鋰電池四大組成部分之一，對鋰離子傳輸過程起著至關重要的作用，各種針對電解液的的設計，如不同溶質溶劑的選擇、不同的電解液電解液添加劑，都能夠對鋰負極起到明顯的改善作用。但現有鋰金屬電池電解液的性能還有待改善。

發明內容

本發明的目的是針對目前鋰金屬負極應用技術的不足，提供一種可以穩定鋰沉積的鋰電池電解液，可以極大的改善金屬鋰負極的枝晶和循環性能較差的問題。

本發明第二目的在于，提供一種穩定金屬鋰沉積的電解液在鋰金屬電池中的應用方法。

本發明第三目的在于，提供一種添加有所述的穩定金屬鋰沉積的電解液的鋰金屬電池。

一種穩定金屬鋰沉積的電解液，包括導電鋰鹽、有機溶劑和添加劑；

所述的添加劑為納米級的氮化硼、氮化鋁、氮化鈣、氮化鎂、氮化硅、氮化鈦、氮化釩、氮化鎢、氮化鈮、氮化鉭中的一種或幾種。