一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用技术

本发明专利技术公开一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用。所述含硝酸锂的碳酸酯类电解液包括硝酸锂、有机溶剂和碳酸酯类电解液。本发明专利技术通过将硝酸锂溶解于有机溶剂中直至饱和状态，在保护气体的保护下，加入碳酸酯类电解液，搅拌，得到含硝酸锂的碳酸酯类电解液。本发明专利技术在金属锂表面形成富含Li3N的保护层，提高锂离子传导率，显著抑制了锂枝晶的生长。同时抑制金属锂与电解液之间的副反应，最终提高了锂金属电池的循环寿命和稳定性。本发明专利技术制备过程简单，可实现规模化生产，达到高能量密度的可充电电池的使用要求，具有广阔的应用前景。广阔的应用前景。广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用


[0001]本专利技术属于锂金属电池和锂离子电池及电化学领域，具体涉及一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其具有放电容量高、对环境友好等优点，在储能行业取得了巨大成功，极大推进新能源材料的发展。然而，随着社会的不断进步，各种电动交通工具和便携电子产品的需求不断增大，传统的锂离子电池的能量密度已趋于其理论能量密度，不足以满足日益增长的社会需求。因此，研究更高能量密度的可充电电池成为研究热点。锂金属负极因其具有极高的理论比容量(3860mAh/g)和最低的氧化还原电位(
‑
3.04V),被认为是具有潜力的负极材料，其既可以应用于锂空电池、锂硫电池等新型的高能量密度电池，也可以与常见的锂离子电池正极材料(LiCoO2、LiFePO4、LiNi
x
Co
y
Mn1‑
y
O2等)匹配。然而，锂金属负极的应用也面临着巨大的挑战。一方面，由于锂离子的不均匀传输，金属锂在沉积过程中容易产生枝晶。另一方面，极活泼的金属锂与电解液存在副反应，不稳定的SEI膜会进一步消耗大量的金属锂和电解液，最终影响电池寿命。为了解决上述问题，国内外研究人员做了大量的研究实验，其中，调节电解液成分是一种有效调控SEI膜的成分和性质的方法。例如，LiNO3已经被证明是一种有效且关键的电解液添加剂，其在醚类电解液中具有高溶解度。在锂硫电池中，LiNO3能够有效抑制锂多硫化物的“穿梭效应”和枝晶生长(Nat.Commun,2015,6,7436)。然而，常规的醚类电解液由于电化学窗口窄，不能用于高压电池。碳酸酯类电解液相较于醚类电解液具有更宽的电化学窗口，常应用于高压电池系统。但是LiNO3在碳酸酯类电解液中的溶解度很低，因此，促进LiNO3在碳酸酯类电解液中的溶解对实现高能电池具有重大意义。崔屹等人(Nat.Commun,2018,9,3656)将LiNO3和PVDF
‑
HFP分散在丙酮后滴在铜箔表面，提出了一种溶解度介导的缓释概念，当已溶解的LiNO3被消耗时，剩余LiNO3可以稳定溶解，从而提高电化学性能。然而，这些方法操作较为复杂，难以规模化生产。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对LiNO3在碳酸酯类电解液中的溶解度低的问题，提供一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液及其制备方法与在锂金属电池中的应用。
[0004]本专利技术采用一种操作简单、适用性广的溶解LiNO3的方法，通过有机溶剂溶解饱和LiNO3后再加入碳酸酯类电解液。该电解液中的LiNO3将优先分解生成Li3N，减小Li
+
传输过程中的阻力，同时抑制电解液其他成分的分解，延长锂金属负极的循环寿命，提高电化学性能。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液，包括硝酸锂、有机溶剂和碳酸酯类电解液。
[0007]优选的，所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)、N,N
‑
二甲基乙酰胺(DMAC)、N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)、吡啶、吡咯、二硫化碳(CS2)中的一种以上。
[0008]优选的，所述的硝酸锂相对于碳酸酯类电解液的质量分数为0.5wt.％
‑
5wt.％。
[0009]优选的，所述碳酸酯类电解液为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)中的一种以上。
[0010]上述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液的制备方法，将硝酸锂溶解于有机溶剂中直至饱和状态，在保护气体的保护下，加入碳酸酯类电解液，搅拌，得到含硝酸锂的碳酸酯类电解液。
[0011]优选的，所述保护气体为氦气、氖气、氩气中的一种以上。
[0012]优选的，所述搅拌时间为10min
‑
30min。
[0013]一种锂金属电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述电解液为上述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液。
[0014]优选的，所述正极材料为磷酸铁锂(LiFePO4)、钴酸锂(LiCoO2)、三元材料(LiNi
x
Co
y
Mn1‑
y
O2)、镍锰酸锂(LiNi
0.5
Mn
1.5
O4)、富锂(a LiMnO2·
(1
‑
a)LiMO2)、氟化铁(FeF3·
bH2O)、硫(S)；其中LiNi
x
Co
y
Mn1‑
y
O2中x、y的取值范围为0.5≤x≤1,0≤y≤0.2，a LiMnO2·
(1
‑
a)LiMO2中a的取值范围为0＜a＜1，FeF3·
bH2O中b的取值范围是0≤b≤0.5。
[0015]优选的，所述负极材料为锂金属负极；所述隔膜为玻璃纤维(GF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、PP/PE、PP/PE/PP膜。
[0016]与现有技术相比，本专利技术提供的一种实现硝酸锂在碳酸酯类电解液中溶解的方法具有如下的技术效果：
[0017](1)本专利技术具有制备步骤简单、操作简单、重复性好、适合规模化生产等优点。
[0018](2)本专利技术通过在有机溶剂中优先溶解LiNO3，从而实现碳酸酯类电解液中溶解LiNO3。在电池首次充放电过程中，LiNO3将优先被还原分解生成Li3N，抑制电解液其他成分的分解。同时形成稳定的SEI膜，降低锂金属和电解液之间的副反应。另外，Li3N具有较高的离子传导率，促进Li
+
的快速传输，起到抑制枝晶生长的作用。因此，本专利技术提供的一种实现硝酸锂在碳酸酯类电解液中溶解的方法使得电池具有循环寿命更长、稳定性更好、安全性能更优异等优点，能够达到高能量密度可充电电池的社会需求，推进锂金属电池实现产业化生产。
附图说明
[0019]图1为实施例1中电解液中未添加LiNO3的Li||Li对称电池循环50圈后金属锂负极的SEM图。
[0020]图2为实施例1中电解液中添加LiNO3的Li||Li对称电池循环50圈后金属锂负极的SEM图。
[0021]图3为实施例2中电解液含有LiNO3的Li||Li对称电池的电压
‑
时间图。
[0022]图4为实施例3中电解液含有LiNO3的Li||Li对称电池的电压
‑
时间图。
[0023]图5为实施例4中电解液含有LiNO3的Li||Cu电池的库伦效率图。
[0024]图6为实施例5中电解液含有LiNO3的Li||LiFePO4电池的性能图。
具体实施方式
[0025]以下通过实施例进一步详细说明本专利技术，但不局限于实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含硝酸锂的碳酸酯类电解液，其特征在于，包括硝酸锂、有机溶剂和碳酸酯类电解液。2.根据权利要求1所述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液，其特征在于，所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、N
‑
甲基吡咯烷酮、吡啶、吡咯、二硫化碳中的一种以上。3.根据权利要求1所述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液，其特征在于，所述的硝酸锂相对于碳酸酯类电解液的质量分数为0.5wt.％
‑
5wt.％。4.根据权利要求1所述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液，其特征在于，所述碳酸酯类电解液为碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸丙烯酯、氟代碳酸乙烯酯中的一种以上。5.权利要求1
‑
4任一项所述的含硝酸锂的碳酸酯类电解液的制备方法，其特征在于，将硝酸锂溶解于有机溶剂中直至饱和状态，在保护气体的保护下，加入碳酸酯类电解液，搅拌，得到含硝酸锂的碳酸酯类电解液。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述保护气体为氦气、氖气、氩气中的一种以上。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌时间为10min
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【专利技术属性】
技术研发人员：熊训辉，刘冬冬，陈超，梁倩雯，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：