[发明专利]一种双离子电池电解液及应用

说明书

本发明提供一种双离子电池电解液及应用，涉及电化学技术领域。该电解液包括电解质和有机溶剂；所述有机溶剂为碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和环丁砜的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和氟代碳酸乙烯酯的混合物。本发明还提供上述双离子电池电解液在锂/石墨半电池或双石墨全电池中的应用。实验结果表明，使用本发明的双离子电池电解液，对商用石墨正极而言，可以稳定输出达～100mAh g^‑1的比容量；对商用石墨负极而言，可以稳定输出达～345mAh g^‑1的比容量，应用于双石墨全电池中能够稳定输出95mAh g^‑1的正极比容量。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种双离子电池电解液及应用。

背景技术

化学电池主要组成部分有正极、负极和电解液。作为一种新型储能器件，双离子电池以石墨为正、负极材料，兼具高性能(较高的工作电压和能量密度)和低成本的优点。其工作原理大致为阴、阳离子分别在正极/电解液、负极/电解液之间移动，分别在正极和负极储存/释放。以石墨作为正、负极材料主要优势有以下几点：(1)正极阴离子插嵌工作电压高(对锂5V以上)(2)负极嵌锂理论容量高(374mAh g^-1)，并且长时间工作结构依旧稳定，不会产生锂枝晶(3)原料储备丰富，价格低廉。目前，双离子电池的电解液主要有离子液体、固态电解质和有机溶剂电解液三种。其中，离子液体的高粘度使得的倍率、低温性能较差，复杂的制备提纯工艺使其成本高昂，目前无法大规模应用；而固态电解质的低电导率和不良的电极/电解液界面相容性目前也无法克服。因此，有机溶剂体系的电解液仍是目前商用电解液的主体。

有机溶剂电解液也存在一个重要问题：阴离子的溶剂化行为。不同的阴离子-溶剂组合在石墨正极的插嵌难度和稳定性差异很大，对电池整体的性能有巨大的影响。目前商用电池电解液为1mol/L六氟磷酸锂(LiPF₆)溶于碳酸乙烯酯(EC)/碳酸甲乙酯(EMC)混合溶剂中(V(EC)/V(EMC)＝3/7)，其中，EC能够在石墨负极形成固态电解质膜(SEI)以保证Li⁺的界面传输和负极结构稳定，而EMC能与PF₆^-溶剂化以改善其在石墨正极插/脱嵌行为。此外，樊慧等人的研究表明，添加少量EMC就能够改善PF₆^-在不良溶剂(如环丁砜)中的溶剂化结构，有效促进阴离子在石墨正极的插嵌，工作电压高达5.4V。然而，EMC的价格几乎数倍于其他有机溶剂，这使得EMC基的电解液价格居高不下。虽然提高电解质盐的浓度能够有效改善电解液性能，但电解液的生产成本也大幅度增加。因此，一种低成本高效双离子电池电解液的巨大实用价值不言而喻。

发明内容

本发明的目的是提供一种双离子电池电解液，该电解液可应用到锂/石墨半电池以及双石墨的全电池中。以上述的双离子电池电解液代替碳酸甲乙酯基电解液应用于双离子电池，能够在保证电池性能的前提下大幅度减少对碳酸甲乙酯溶剂的使用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体如下：

本发明首先提供一种双离子电池电解液，该电解液包括电解质和有机溶剂；

所述有机溶剂为碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和环丁砜(SL)的混合物；或碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和氟代碳酸乙烯酯(FEC)的混合物。

优选的是，所述的碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合物中，DMC占所述有机溶剂的体积百分比为10％～40％、DEC占所述有机溶剂的体积百分比为60％～90％。

优选的是，所述的碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯(EMC)的混合物中，EMC占所述有机溶剂的体积百分比为0.1％～99.9％，DMC与DEC的体积比例为2:8。