一种锂金属电池的电解液制造技术

一种锂金属电池的电解液，该电解液是以酯类、醚类或醚酯共混液作为有机溶剂，其中含有摩尔浓度为1.0～5.0mol/L的锂盐，以及由硝酸锂和金属卤化物组成的添加剂。将含有该添加剂的电解液体系用于金属锂电池，能在锂负极表面形成稳定的混合离子导体界面层，最大限度避免电解液和金属锂的直接接触，减少锂枝晶生长和锂源的不可逆损失，实现锂离子在界面层的快速迁移和在电极上的均匀沉积，含有该添加剂的电解液能够明显提高金属锂的库伦效率及全电池的使用寿命，具有良好的应用前景。

Electrolyte for lithium metal battery

An electrolyte for lithium metal batteries is an ester, ether or ether ester blend as an organic solvent containing lithium salts with a molar concentration of 1.0-5.0 mol/L and an additive consisting of lithium nitrate and metal halides. The electrolyte system containing the additive is used in lithium-ion batteries, which can form a stable mixed-ion conductor interface layer on the surface of lithium anode, avoid the direct contact between electrolyte and lithium, reduce the growth of lithium dendrite and the irreversible loss of lithium source, realize the rapid migration of lithium ions in the interface layer and on the electrode. The electrolyte containing the additive can obviously improve the coulomb efficiency of lithium metal and the service life of the battery, so it has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池的电解液
本专利技术涉及一种锂金属电池的电解液，属于锂金属电池

技术介绍
在高比能电池需求的新时代下，金属锂因其较低的电极电势(-3.04Vvs标准氢电极)和超高的理论比容量(3860mAhg-1)成为一种极具潜力的负极材料。金属锂在实用化的过程中面临着亟须解决的技术问题；首先，金属锂与电解液的热力学不稳定性容易导致金属锂表面形成不稳定的固液界面层；其次，随着充放电的进行，不稳定的固液界面会诱发锂离子的不均匀沉积，导致锂枝晶和死锂的产生；锂枝晶的存在可能刺穿电池隔膜，使得正负极发生接触和短路，具有爆炸隐患；死锂层的存在导致电池的极化增大和库伦效率的下降。因此，针对如何解决金属锂枝晶和如何提高金属锂电极的库伦效率，研究人员提出了多种解决策略：增大电极的比表面积来降低局部电流密度(专利号：CN105845891A)；通过锂硼合金的硬度和骨架来控制金属锂的外延生长(Small,2014,10,4257)；引入二氧化硅化学成分来调控锂离子的均匀沉积(Adv.Mater.2016,28,2888)；通过电解液配方的筛选来在金属锂的表面形成稳定的固液界面层(专利号：CN105870502A)；近期，有研究人员发现，能够和金属锂发生合金行为的金属或者非金属单质能够诱导锂离子的定向反应(NatureEnergy,2016,1,16010)，从而控制金属锂的生长。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种锂金属电池的电解液，通过配制含有添加剂的电解液，使其能在锂负极表面形成稳定的混合离子导体界面层，最大限度地避免电解液与金属锂的直接接触，减少锂枝晶生长和锂源的不可逆损失，实现锂离子在界面层的快速迁移和在电极上的均匀沉积，从而进一步提高金属锂的库伦效率及全电池的使用寿命。本专利技术的技术方案如下：一种锂金属电池的电解液，其特征在于，所述的电解液是以酯类、醚类或醚酯共混液作为有机溶剂，其中含有锂盐，以及由硝酸锂和金属卤化物组成的添加剂。优选地，所述电解液中锂盐的摩尔浓度为1.0～5.0mol/L；所述添加剂中硝酸锂占总电解液质量分数的0.001wt％～10.0wt％，金属卤化物占总电解液质量分数的0.001wt.％～10.0wt.％。上述技术方案中，优选地，所述金属卤化物为氟化银、氟化铜、碘化铜、碘化银、氟化铁、氯化锌、氯化铁和氟化镍中的一种或几种的混合。上述技术方案中，优选地，所述的酯类有机溶剂为碳酸乙烯酯或碳酸二乙酯；醚类有机溶剂为四乙二醇二甲醚和乙二醇二甲醚的一种或两种；所述的锂盐为六氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂中的一种或几种。本专利技术相比现有技术，具有如下优点及突出性效果：①区别于传统的人工固液界面层，该添加剂的体系下能够在金属锂的表面形成离子-电子混合界面层，该界面层的形成加速了锂离子在界面处的迁移速率；②混合界面层的存在，能够均匀的调控金属锂的形核，使得锂负极表面无枝晶生成；③混合离子界面层的存在，能够利用纳米界面层的储锂功能构建金属锂的缓冲层，减小因扩散控制带来的不均匀沉积；④添加剂的造价低廉，在电解液中用量低，对于使用环境没有特殊要求。具体实施方式本专利技术提供的一种锂金属电池的电解液，其配制方法是将金属卤化物与硝酸锂组成的添加剂加入到溶有锂盐的酯类、醚类或醚酯共混的有机溶剂中。所述电解液中锂盐的摩尔浓度为1.0～5.0mol/L；所述添加剂中硝酸锂占总电解液质量分数的0.001wt％～10.0wt％，金属卤化物占总电解液质量分数的0.001wt.％～10.0wt.％。所述添加剂中的金属卤化物优选采用氟化银、氟化铜、氟化铁、氟化镍、氯化锌、氯化铁、碘化铜和碘化银中的一种或几种混合；电解液溶液中的有机溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、四乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚的一种或几种。电解液的可溶性锂盐为六氟磷酸锂、双三氟甲基磺酰亚胺锂和双氟磺酰亚胺锂的一种或几种，含有该添加剂的电解液体系适用于以金属锂作为负极的全电池类型。从以下实施例可进一步理解本专利技术，但本专利技术不仅仅局限于以下实施例。实施例1：配制占总电解液质量分数为1.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为0.001wt.％氟化银的乙二醇二甲醚溶液，锂盐为双三氟磺酰亚胺锂，浓度为1.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，硫作为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.0％，循环寿命可以达到500圈。实施例2：配制占总电解液质量分数为0.01wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为1wt.％氟化铜的碳酸乙烯酯溶液，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为1.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，磷酸铁锂为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.9％，循环寿命可以达到2000圈。实施例3：配制占总电解液质量分数为5.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为3.0wt.％碘化铜的碳酸乙烯酯溶液，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为2.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，镍钴锰三元材料为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.8％，循环寿命可以达到1000圈。实施例4：配制占总电解液质量分数为2.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为5.0wt.％碘化银的四乙二醇二甲醚溶液，锂盐为双氟磺酰亚胺锂，浓度为5.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，磷酸铁锂为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.9％，循环寿命可以达到800圈。实施例5：配制占总电解液质量分数为5.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为0.01wt.％氟化铁的乙二醇二甲醚溶液，锂盐为双三氟磺酰亚胺锂，浓度为2.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，硫作为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到98.0％，循环寿命可以达到600圈。实施例6：配制占总电解液质量分数为0.5wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为0.05wt.％氯化锌的碳酸二乙酯溶液，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为2.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，镍钴锰三元材料为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.9％，循环寿命可以达到1200圈。实施例7：配制占总电解液质量分数为10.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为5.0wt.％氟化镍的碳酸乙烯酯溶液，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为1.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，磷酸铁锂为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.2％，循环寿命可以达到400圈。实施例8：配制占总电解液质量分数为2.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为1.0wt.％氯化铁的碳酸二乙烯酯和碳酸乙烯酯溶液(体积比1：1)，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为1.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂片作为负极，锰酸锂为正极的全电池测试，经过测试发现，电池的库伦效率可以达到99.2％，循环寿命可以达到400圈。实施例9：配制占总电解液质量分数为5.0wt.％硝酸锂和占总电解液质量分数为0.5wt.％氟化银的四乙二醇二甲醚和碳酸乙烯酯溶液(体积比为1：1)，锂盐为六氟磷酸锂，浓度为3.0mol/L。将该电解液体系用于以金属锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂金属电池的电解液，其特征在于，所述的电解液是以酯类、醚类或醚酯共混液作为有机溶剂，其中含有锂盐，以及由硝酸锂和金属卤化物组成的添加剂。

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池的电解液，其特征在于，所述的电解液是以酯类、醚类或醚酯共混液作为有机溶剂，其中含有锂盐，以及由硝酸锂和金属卤化物组成的添加剂。2.按照权利要求1所述的一种锂金属电池的电解液，其特征在于，所述电解液中锂盐的摩尔浓度为1.0～5.0mol/L；所述添加剂中硝酸锂占总电解液质量分数的0.001wt％～10.0wt％，金属卤化物占总电解液质量分数的0.001wt.％～10.0wt.％。3.按照权利要求1或2所述的一种锂...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，闫崇，黄佳琦，程新兵，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11