[发明专利]一种锂枝晶自抑制的金属锂二次电池电解液及其应用

说明书

本发明提供一种用于使用金属锂作为负极的二次金属锂电池的电解液，该电解液包含锂盐和两种酯类溶剂，第一种酯类溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸亚乙烯酯和碳酸亚丁酯，第二种酯类溶剂选自碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲丙酯，以及所述第一种酯类溶剂和所述第二种酯类溶剂的体积比为1.5‑9:1。本发明提供了所述电解液在金属锂二次电池中的应用以及包含所述电解液的金属锂二次电池。本发明的电解液可以实现锂枝晶的自抑制，增加了金属锂二次电池的安全性。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及金属锂二次电池，更具体地，涉及一种可实现锂枝晶自抑制的金属锂二次电池电解液及其应用。

背景技术

由于金属锂具有极高的理论容量(3860mAh/g)，同时具有最低的还原电位(-3.04V标准氢电位)，使得金属锂成为锂电池最理想的负极材料。由于金属锂作为负极可以极大的提高电池的能量密度，因此也被誉为电化学储能领域的“终极负极”。

虽然金属锂具有优越的电化学性能，但金属锂负极在充电过程中会形成锂枝晶。锂枝晶一方面会增加金属锂负极的比表面积，加速催化电解液分解，在界面处形成固态电解液界面(SEI)膜，消耗了电池中的活性锂，降低了电池的可循环容量。锂枝晶同时还危害电池的安全性，当枝晶生长刺穿隔膜会造成电池内短路从而引发电池的起火爆炸。因此，只有寻找到有效的抑制金属锂枝晶生长才能有效的推动金属锂电池的实际应用。

对于金属锂枝晶的研究可以追溯至二十世纪七十年代，经历四十多年的研究依旧没有从根本上解决金属锂枝晶生长问题。

近年来研究人员提出的新的抑制金属锂枝晶的方法，按种类基本可分为三类：①通过机械应力抑制金属锂枝晶；②通过三维结构束缚金属锂枝晶；和③通过改变金属锂电极界面离子浓度来实现锂的可控沉积/剥离。

第一种方法是通过具有较高杨氏模量的界面层对金属锂表面施以一定大小的机械应力，从而抑制因金属锂枝晶刺穿隔膜而造成的内短路。例如，将具有一定机械强度的非晶碳膜、氮化硼薄膜或石墨烯薄膜等置于金属锂表面，这些薄膜在极大的电流密度下也可以很好的阻挡锂枝晶的垂直生长。但是这种方法对于界面层的制备具有很高的要求，界面结构上如有破损或缺陷则会失去对枝晶的抑制效果。

第二种方法则使用三维集流体或三维隔膜，通过扰动金属锂枝晶的生长方向从而实现对枝晶的抑制。这种方法由于引入三维结构因此会降低金属锂负极的比容量，同时会增大金属锂的比表面积，加快与电解液反应。

第三种方法是通过调节电池内部或金属锂界面的锂离子浓度，实现较为均匀的沉积。这种方法需要在电池中额外添加昂贵的锂盐(例如，浓度为4M的锂盐)或者在特定倍率条件下(例如，倍率条件为：0.1C下充电，以及1C下放电)进行充/放电来实现，限制了电池的使用环境。同时，在长循环下依旧无法抑制金属锂枝晶生长。

虽然这些方法都取得了一定的成果，但是在解决电解液本身和金属锂之间的反应上还存在一定的问题。

另外，D.Aurbach课题组尝试通过改变电解液成分来抑制金属锂枝晶。特别地，D.Aurbach课题组经过多年的穷举法尝试发现通过改变电解液溶剂抑制金属锂枝晶生长，其虽然取得了一定的效果，但是在长循环和电流下依旧无法避免金属锂枝晶的形成(D.Aurbach,J.Power Sources 89(2000)206–218)。

由于未能通过电解液优化来实现金属锂枝晶的抑制，所以目前并没有商品化的用于抑制锂枝晶生长的金属锂二次电池电解液面世。