[发明专利]一种抑制锂枝晶生长的电解液及锂电池

说明书

本发明公开了一种抑制锂枝晶生长的电解液及锂电池。所述电解液包括添加剂、锂盐和有机溶剂，所述添加剂包括六氟磷锂、高氯酸锂、双三氟甲烷磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、氟硼酸锂、六氟铝酸锂、六氟砷酸锂、氟化锂、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、多硫化锂、氮化锂、磷化锂、二草酸硼酸锂、氧化锂、亚硫酸锂、硫酸锂、乙酸锂、氢氧化锂和草酸锂中的至少一种，所述锂盐为不同于添加剂的锂盐。含有添加剂的锂电池，在充放电过程中不仅能在锂金属负极表面形成一层固态电解质膜，而且能够诱导电解液聚合形成一种低聚物覆盖在锂负极表面以及与之相匹配的正极材料的表面。该保护层可以有效的抑制锂枝晶的生长，从而提高电池的安全性能。

技术领域

本发明涉及锂金属电池负极材料及电化学领域，具体涉及一种抑制锂枝晶生长的电解液及锂电池。

背景技术

近年来，在传统化石能源日益枯竭与环境保护的双重作用下，锂离子电池的发展应用上升到了一个全新的阶段。特别是电动汽车的飞速发展使得动力电池成为国家、大型企业以及各科研机构的关注的焦点。目前，以石墨为负极的锂离子电池体系的能量密度已达到其瓶颈。且其负极理论比容量仅有372 mAh/g，在首次充放电过程中还存在较大的容量损失，其电化学性能远不能满足电动汽车对电池的要求。因此发展高比能量锂离子电池负极材料成为了目前研究的热点。

金属锂的理论比容量为3860 mAh/g，是石墨容量的10倍以上。以金属锂为负极的新一代可充电池具有重要的研究价值和广阔的应用前景，被称为能量之“圣杯”。然而，枝晶和库伦效率两大问题严重制约了锂电极的实用化，40多年来一直未能有效解决。

为了解决上述问题，国内外研究人员对此作了大量的改性工作。例如，Guo等在商用电解液体系中同时添加0.1 mol/L LiNO₃和2%的VC，通过研究Li||Cu电池金属锂的电镀剥离行为，发现LiNO₃可在金属锂表面形成一层Li₃N的SEI膜，再经与VC共同作用，使得Li||Cu电池效率接近能够达到100%（参见参考文献[1]：Jing Guo, Zhaoyin Wen, Meifen Wu,Jun Jin,Yu Liu, Vinylene carbonate-LiNO₃: A hybrid additive in carbonic esterelectrolytes for SEI modification on Li metal anode. Electrochem. Commun.2015, 51, 59-63）。Li等利用简单的亚硫酰氯（SOCl₂）作为电解液添加剂，反应生成的LiCl和Li₂SO₃等无机物沉积在金属锂负极界面形成了均匀致密的人工SEI膜，同时实现了金属锂负极界面的稳定和锂硫电池长期循环性能的改善。由此组装的Li-S电池在0.4 mA/g的电流密度下放电比容量高达2202.3 mAh/g，其中超出理论容量的部分主要来自于添加剂的分解补偿（参见参考文献[2]：Sheng Li, Hongliu Dai, Yahui Li, Chao Lai, Jiulin Wang,Fengwei Huo, Chao Wang, Designing li-protective layer via SOCl₂ additive forstabilizing lithium-sulfur battery. Energy Storage Materials, 2019, 18, 222-228）。Archer团队提出一种构筑有机/无机杂化SEI膜的策略，通过引入SiCl₄作为一种交联剂，促进PC溶剂在金属负极表面发生交联，从而形成具有一定弹性的有机SEI膜，而且在交联反应发生的同时，会同时生成具有高离子电导率的LiCl，结果表明，无机成分LiCl可改善离子传输的动力学性能，而有机成分可提高SEI的机械稳定性（参见参考文献[3]：QingZhao, Zhengyuan Tu, Shuya Wei, Kaihang Zhang, Snehashis Choudhury, XiaotunLiu, Lynden A. Archer, Building Organic/Inorganic Hybrid Interphases for FastInterfacial Transport in Rechargeable Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.,2018, 57, 992-996）。上述研究成果为解决枝晶生长问题提供了新思路，然而这些方法仅仅在金属锂表面也能形成SEI膜，起到一定保护金属锂的作用。