[發明專利]一種碳酸酯類電解液及金屬鋰電池

有效

• 申請號: 202110420034.6
• 申請日: 2021-04-19
• 公開（公告）號: CN113131000B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 呂偉;谷思辰;康飛宇;楊全紅
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: H01M10/0567
• 分類號: H01M10/0567;H01M10/0525;H01M10/42
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;王娟

本申請提供了一種碳酸酯類電解液，包括鋰鹽、硝酸鹽、助溶劑和溶劑，所述助溶劑包括冠醚及其衍生物，其中，所述助溶劑的分子結構中具有空穴，所述硝酸鹽中陽離子的直徑D1與所述助溶劑中空穴的直徑D2之間的比值為0.7?1.3。本申請提供的電解液中助溶劑有助于提高硝酸鹽的溶解度，并能夠與硝酸鹽中陽離子結合形成穩定的配位化合物，提高金屬鋰電池的庫倫效率。本申請還提供一種由所述碳酸酯類電解液制備的金屬鋰電池。

技術領域

本申請涉及鋰金屬二次電池的技術領域，尤其涉及一種碳酸酯類電解液及金屬鋰電池。

背景技術

鋰金屬負極具有較高的理論比容量(3860mAh g^-1)和較低的電極電勢(-3.04V)，因此可作為具有最高理論能量密度的金屬離子電池的理想負極，具有巨大的開發潛力。然而，鋰金屬負極在充放電過程中容易形成鋰枝晶而導致電池短路，而且表面固態電解質界面(SEI)破裂會導致電解液消耗和庫倫效率降低等問題。

通常，可采用向電解液中加入添加劑(如硝酸鹽)的方式，調解鋰離子沉積行為，提升SEI的鋰離子電導率，改善SEI的物化性質，抑制鋰枝晶的生長。然而，由于硝酸鹽在碳酸酯類電解液中的溶解度較低，一般只能應用于醚類電解液中，而醚類電解液的氧化截止電壓較低，不能和高壓正極材料匹配，因此限制了其在高能量密度的金屬鋰電池中的應用。

發明內容

有鑒于此，本申請提供一種能夠提高硝酸鹽在碳酸酯類電解液中的溶解度的電解液。

另外，還有必要提供一種由上述電解液制備的金屬鋰電池。

為實現上述目的，本申請提供了一種碳酸酯類電解液，包括鋰鹽、硝酸鹽、助溶劑和溶劑，所述助溶劑包括冠醚及其衍生物，其中，所述助溶劑的分子結構中具有空穴，所述硝酸鹽中陽離子的直徑D1與所述助溶劑中空穴的直徑D2之間的比值為0.7-1.3。

在一些可能的實現方式中，D1與D2的比值為0.9-1.1。

在一些可能的實現方式中，所述硝酸鹽為硝酸鋰、硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸銣、硝酸銫、硝酸鎂、硝酸鈣、硝酸鍶及硝酸鋇中的一種或多種。

在一些可能的實現方式中，所述冠醚為12-冠-4，15-冠-5，18-冠-6及21-冠-7中的一種或多種。

在一些可能的實現方式中，在所述碳酸酯類電解液中，所述硝酸鹽的濃度為0.05-1mol/L，所述助溶劑的濃度為0.025-3mol/L。

在一些可能的實現方式中，所述鋰鹽為六氟磷酸鋰、雙三氟甲磺酰亞胺鋰、三氟甲磺酸鋰、四氟硼酸鋰、高氯酸鋰、六氟砷酸鋰、雙(全氟乙基磺酰)亞胺鋰、雙氟磺酰亞胺鋰、雙草酸硼酸鋰、(三氟甲基磺酰)亞胺鋰及(正全氟丁基磺酰)亞胺鋰中的一種或多種。

在一些可能的實現方式中，所述溶劑為碳酸乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、γ-丁內酯、乙酸乙酯、甲酸甲酯、四氫呋喃、2-甲基-四氫呋喃、二甲氧基甲烷、1，2-二甲氧基乙烷、乙腈、戊二腈、己二腈、磷酸三甲酯、環丁砜、甲乙砜、3-(甲基磺酰基)-1-丙烯及3-(甲基磺酰基)-1-丙炔中的一種或多種。

本申請還提供一種金屬鋰電池，包括正極、負極以及設于所述正極和所述負極之間的隔膜，所述金屬鋰電池還包括所述的碳酸酯類電解液。

本申請中提供的碳酸酯類電解液中，硝酸鹽為電解液提供硝酸根離子和陽離子，助溶劑易于陽離子發生配位反應，形成冠醚-陽離子配位化合物，使得電解液中游離出更多的硝酸根離子，提高硝酸鹽的溶解度。因此，使得硝酸鹽可以應用于碳酸酯類電解液中，

附圖說明

圖1為實施例1中鋰沉積10min的鋰晶核的掃描隧道顯微鏡圖。

圖2為實施例1中鋰沉積2h的掃描隧道顯微鏡圖。