电解液、锂金属电池及其应用

本申请涉及锂金属电池，具体涉及一种电解液、锂金属电池及其应用。

背景技术：

1、锂离子电池已成为主流的便携式能源存储技术，广泛应用于智能手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。然而，传统的石墨负极材料接近理论容量极限，难以满足日益增长的能量密度需求；而锂金属凭借高达3860mah/g的理论比容量，成为下一代高能量密度电池的理想负极材料。

2、以锂金属为负极制备的锂金属电池具有极高的能量密度，然而锂金属二次电池在充放电循环过程中容易产生锂枝晶，刺穿隔膜引发安全事故；难以形成稳定的固体电解质界面层，消耗电解液降低效率，导致电池寿命缩短，严重阻碍了其商业化进程。针对上述挑战，科研人员不断探索解决方案，主要包括：(1)结构修饰：通过纳米结构设计、表面涂层等手段，提高锂金属表面的光滑度和力学强度，抑制锂枝晶的生长；(2)电解液优化：开发新型电解液体系，提高电解液的稳定性和离子电导率，增强固体电解质界面膜的稳定性，抑制锂枝晶的形成；(3)添加剂调控：加入适量添加剂，如锂盐钝化剂、成膜剂等，调节电解液的性能，增强固体电解质界面膜的稳定性，抑制锂枝晶的生长。

3、通过调控电解液组分及结构的优化，开发性能稳定的并且可构筑优异电化学特性的sei/cei膜的电解液，具有重要的意义。

技术实现思路

1、本申请提供一种电解液、锂金属电池及其应用，旨在解决现有锂金属电池存在的容易产生锂枝晶、难以形成稳定的固体电解质界面层的问题。

2、为了达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现。

3、本申请的第一方面，提供一种电解液，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂；所述有机溶剂具有式(1)所示的结构式：

4、

5、其中，r1，r2，r3，r4各自独立的为苯基、卤素、c1-c10的烷基、c1-c10的烯基、c1-c10的炔基、c1-c10的卤代烷基、c1-c10的卤代烯基、c1-c10的卤代炔基、c1-c10的氰代烷基、c1-c10的氰代烯基或c1-c10的氰代炔基。

6、在一些实施方案中，r1，r2，r3，r4各自独立的为c1-c10的烷基、c1-c10的卤代烷基或卤素。

7、在一些实施方案中，r1，r2，r3，r4各自独立的为甲基、三氟甲基或氟。

8、在一些实施方案中，所述锂盐包括双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂或高氯酸锂中的至少一种。

9、在一些实施方案中，所述添加剂包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、磺酰亚胺类添加剂、环状砜类添加剂、烷基碳酸酯类添加剂的至少一种。

10、在一些实施方案中，所述锂盐的摩尔浓度为0.5-4.5mol/l。

11、在一些实施方案中，所述添加剂的摩尔浓度为0.01-2mol/l。

12、本申请的第二方面，提供上述电解液在锂金属电池中的应用。

13、本申请的第三方面，提供一种锂金属电池，包括锂负极、隔膜、正极和上述电解液。

14、在一些实施方案中，所述锂负极包括锂金属或金属锂复合物；

15、所述正极包括钴酸锂、镍酸锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝酸锂、富锂锰基材料、锰酸锂或镍锰酸锂中的任意一种。

16、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

17、本申请的电解液中含有尿素衍生物有机溶剂，具有式(1)所示的化学结构，可使锂金属电池中锂负极的氧化还原过程变得更加可逆。与传统的碳酸酯类溶剂相比，本申请的尿素衍生物有机溶剂的极性较高，能够与锂离子形成更强的相互作用，从而提高离子导电率，而且尿素衍生物的羰基氧原子和氮原子能够与锂离子形成络合物，降低锂离子的溶剂化能，进一步提高离子导电率。并且尿素衍生物的分解电压较高，能够耐受更高的充电电压，从而提高电池的能量密度。此外，尿素衍生物能够在正负极材料表面形成稳定的正极/固体电解质界面层(cei/sei)，能够阻止电解液与电极材料的直接接触，从而抑制电极材料的分解和副反应，提高电池的循环寿命和稳定性。

技术特征：

1.一种电解液，其特征在于，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂；所述有机溶剂具有式(1)所示的结构式：

2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，r1，r2，r3，r4各自独立的为c1-c10的烷基、c1-c10的卤代烷基或卤素。

3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，r1，r2，r3，r4各自独立的为甲基、三氟甲基或氟。

4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐包括双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂或高氯酸锂中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述添加剂包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、磺酰亚胺类添加剂、环状砜类添加剂、烷基碳酸酯类添加剂的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐的摩尔浓度为0.5-4.5mol/l。

7.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述添加剂的摩尔浓度为0.01-2mol/l。

8.权利要求1-7任一项所述的电解液在锂金属电池中的应用。

9.一种锂金属电池，其特征在于，包括锂负极、隔膜、正极和权利要求1-7任一项所述的电解液。

10.根据权利要求9所述的锂金属电池，其特征在于，所述锂负极包括锂金属或金属锂复合物；

技术总结
本申请涉及锂金属电池技术领域，公开了一种电解液、锂金属电池及其应用。电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂；有机溶剂具有式(1)所示的结构式：其中，R<subgt;1</subgt;，R<subgt;2</subgt;，R<subgt;3</subgt;，R<subgt;4</subgt;各自独立的为苯基、卤素、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的烷基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的烯基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的炔基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的卤代烷基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的卤代烯基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的卤代炔基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的氰代烷基、C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的氰代烯基或C<subgt;1</subgt;‑C<subgt;10</subgt;的氰代炔基。本申请电解液中有机溶剂的极性高，其羰基氧原子和氮原子能与锂离子形成络合物，降低锂离子的溶剂化能，提高离子导电率；其能够耐受更高的充电电压，从而提高电池的能量密度；其能够在正负极材料表面形成稳定的正极/固体电解质界面层(CEI/SEI)，阻止电解液与电极材料直接接触，抑制电极材料的分解和副反应，提高电池的循环寿命和稳定性。

技术研发人员：陈振营,朱金辉,庄小东
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14