吡啶基添加剂、含有吡啶基添加剂的腈基电解液与锂金属二次电池

本发明属于锂金属二次电池，尤其涉及吡啶基添加剂、含有吡啶基添加剂的腈基电解液与锂金属二次电池。

背景技术：

1、锂离子电池是目前能量密度较高的化学电源，对于未来能源领域的发展有着至关重要的作用。电解液是锂离子电池中的核心物质之一，电解液与电极直接接触，其稳定性直接关系到电池的性能、安全性和循环寿命。腈基电解液具有出色的离子传输能力、较宽的电化学窗口和较高的热稳定性，是锂离子电池电解液的理想选择。

2、然而，在腈基电解液中，由于腈类分子与锂离子之间的较强配位结合能力，腈类分子随着锂离子进入锂负极侧的双电层内部。这导致锂离子在界面处的去溶剂化过程需要脱除配位的腈类分子，从而增加了去溶剂化能。同时，界面处的腈类分子也可能在锂负极表面发生还原聚合反应，形成传质惰性的界面膜，从而阻碍锂离子传输。

技术实现思路

1、为解决现有腈基电解液容易增加去溶剂化能及形成传质惰性界面膜的问题，本发明提供了吡啶基添加剂、含有吡啶基添加剂的腈基电解液与锂金属二次电池。

2、本发明的技术方案：

3、吡啶基添加剂，以至少一个强吸电基取代吡啶分子上的羟基得到，所述强吸电基包括-f、-cl、-br、-so3或-no2中的一种或者多种。

4、进一步的，包括2-氟吡啶、2-4-二氟吡啶或2-氟-5-硝基吡啶。

5、含有本发明提供的吡啶基添加剂的腈基电解液，包括腈基化合物、锂盐和本发明提供的吡啶基添加剂；所述吡啶基添加剂的添加量为1vt％～20vt％。

6、进一步的，所述腈基化合物与所述锂盐的摩尔比为10:1，所述锂盐在腈基电解液中的浓度为0.5mol·l-1～3mol·l-1。

7、进一步的，所述腈基化合物包括乙腈、丁腈、正戊腈、十一腈、十二腈、丁二腈、戊二腈或己二腈中的一种或几种；所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氯磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂或四氟硼酸锂中的一种或几种。

8、进一步的，还包括成膜添加剂，所述成膜添加剂的添加量为5vt％。

9、进一步的，所述成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯。

10、含有本发明提供的吡啶基添加剂的锂金属二次电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和含有本发明提供的吡啶基添加剂的腈基电解液。

11、进一步的，所述腈基电解液为本发明提供的含有本发明吡啶基添加剂的腈基电解液。

12、进一步的，所述正极材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元或磷酸钒锂的一种或几种；所述负极材料包括金属锂；所述隔膜包括al2o3涂层隔膜、玻璃纤维隔膜、pvdf隔膜、pet/al2o3隔膜、纤维素隔膜或芳纶隔膜中的一种或几种。

13、本发明的有益效果：

14、本发明提供的吡啶基添加剂采用取代有强吸电基的吡啶分子，通过吸电诱导作用使得吡啶分子正负电荷中心分离，增大分子偶极矩，由于腈基化合物具有零偶极矩，添加剂与锂负极之间的电荷-偶极相互作用能够促进添加剂分子在锂金属表面的吸附，降低界面腈类分子浓度，提升电极/电解液界面稳定性。由于吸电基能够降低吡啶-n电荷密度，降低添加剂与锂离子结合能，从而降低界面锂离子去溶剂化能，提升界面锂离子转化动力学，促进锂的均匀沉积。同时，多个强吸电基取代的吡啶基添加剂还能有效提升添加剂氧化稳定性，提升电解质电化学窗口。

技术特征：

1.吡啶基添加剂，其特征在于，以至少一个强吸电基取代吡啶分子上的羟基得到，所述强吸电基包括-f、-cl、-br、-so3或-no2中的一种或者多种。

2.根据权利要求1所述吡啶基添加剂，其特征在于，包括2-氟吡啶、2-4-二氟吡啶或2-氟-5-硝基吡啶。

3.含有如权利要求1或2所述吡啶基添加剂的腈基电解液，其特征在于，包括腈基化合物、锂盐和如权利要求1或2所述吡啶基添加剂；所述吡啶基添加剂的添加量为1vt％～20vt％。

4.根据权利要求3所述含有吡啶基添加剂的腈基电解液，其特征在于，所述腈基化合物与所述锂盐的摩尔比为10:1，所述锂盐在腈基电解液中的浓度为0.5mol·l-1～3mol·l-1。

5.根据权利要求4所述含有吡啶基添加剂的腈基电解液，其特征在于，所述腈基化合物包括乙腈、丁腈、正戊腈、十一腈、十二腈、丁二腈、戊二腈或己二腈中的一种或几种；所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂、双氯磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂或四氟硼酸锂中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述含有吡啶基添加剂的腈基电解液，其特征在于，还包括成膜添加剂，所述成膜添加剂的添加量为5vt％。

7.根据权利要求6所述含有吡啶基添加剂的腈基电解液，其特征在于，所述成膜添加剂为碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、硝酸锂中的一种或者多种。

8.含有如权利要求1或2所述吡啶基添加剂的锂金属二次电池，其特征在于，包括正极材料、负极材料、隔膜和含有如权利要求1或2所述吡啶基添加剂的腈基电解液。

9.根据权利要求8所述含有吡啶基添加剂的锂金属二次电池，其特征在于，所述腈基电解液为权利要求3-7任一所述的含有如权利要求1或2所述吡啶基添加剂的腈基电解液。

10.根据权利要求8或9所述含有吡啶基添加剂的锂金属二次电池，其特征在于，所述正极材料包括磷酸铁锂、钴酸锂、镍钴锰三元、镍钴铝三元或磷酸钒锂的一种或几种；所述负极材料包括金属锂；所述隔膜包括al2o3涂层隔膜、玻璃纤维隔膜、pvdf隔膜、pet/al2o3隔膜、纤维素隔膜或芳纶隔膜中的一种或几种。

技术总结
本发明涉及吡啶基添加剂、含有吡啶基添加剂的腈基电解液与锂金属二次电池，属于锂金属二次电池技术领域。为解决现有腈基电解液容易增加去溶剂化能及形成传质惰性界面膜的问题，本发明提供了吡啶基添加剂，以至少一个强吸电基取代吡啶分子上的羟基得到，强吸电基包括‑F、‑Cl、‑Br、‑SO<subgt;3</subgt;或‑NO<subgt;2</subgt;中的一种或者多种。本发明采用取代有强吸电基的吡啶分子，通过吸电诱导作用使得吡啶分子正负电荷中心分离，增大分子偶极矩，从而促进添加剂分子在锂金属表面的吸附，降低界面腈类分子浓度，提升电极/电解液界面稳定性，降低界面锂离子去溶剂化能，提升界面锂离子转化动力学，促进锂的均匀沉积。

技术研发人员：尹鸽平,康聪,朱家明,肖相俊,张岩,孔凡鹏,马玉林
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14