[发明专利]一种二维纳米结构电解液添加剂、制备方法及应用

说明书

本发明属于碱金属电池电解液技术领域，并具体公开了一种二维纳米结构电解液添加剂、制备方法及应用。该二维纳米结构电解液添加剂为二维结构有机或无机纳米片，所述二维纳米结构材料为氮化硼纳米片、氧化石墨烯、过渡金属硫化物纳米片、二维金属有机骨架材料、二维共价有机骨架材料中的一种或多种，其厚度不大于10纳米。所述方法包括将有机或无机块状材料剥离成厚度小于10纳米的二维纳米片，然后将其加入去离子水中分散均匀后进行冷冻干燥后，得到二维纳米结构电解液添加剂。所述电解液包括电解质盐、非水有机溶剂、上述的二维纳米结构电解液添加剂。本发明可改善电池的长效循环稳定性和安全性。

技术领域

本发明属于碱金属电池电解液技术领域，更具体地，涉及一种二维纳米结构电解液添加剂、制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池是目前商业化电池中最受欢迎的二次电池之一，然而当前的商业锂离子电池接近于理论能量密度，无法满足电动汽车和电网等高能量密度储能需求。与普通锂离子电池相比，采用碱金属单质为负极的碱金属电池具有极高的理论容量，然而碱金属反应活性很高，能与电解液持续反应，导致电解液的损失、枝晶的生长和电池短路。合适的电解液添加剂有助于减少碱金属的副反应并使其表面钝化，从而限制碱金属负极与电解质的进一步反应，延长碱金属电池的循环寿命。然而，现有技术中电解液添加剂在碱金属沉积/剥离过程中持续消耗，导致添加剂浓度下降，不能满足长效稳定性。

因此，亟需开发无反应活性的添加剂，使其永久存在于电池中并保持其浓度基本不变，改善电池全生命周期的安全性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维纳米结构电解液添加剂、制备方法及应用，其中结合二维纳米结构电解液添加剂自身的特征及其非水碱金属电池电解液的特点，相应的本发明的二维纳米结构电解液添加剂具有高强度和一定的柔性，且其厚度不大于10纳米，当其在电解液中形成均匀的胶体时，其可机械压制电解液枝晶的生长、增强电极/电解质的界面稳定性，更进一步的，碱金属离子或电解质盐阴离子可通过静电力或范德华力与二维纳米结构电解液添加剂相互作用，从而提升了电解液的电导率及离子迁移数，促进了碱金属离子的均匀沉积，因而尤其适用于非水碱金属电池电解液中的添加剂。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种二维纳米结构电解液添加剂，该二维纳米结构电解液添加剂为二维结构有机或无机纳米片，所述二维结构有机或无机纳米片包括二维纳米结构材料，所述二维纳米结构材料为氮化硼纳米片、氧化石墨烯、过渡金属硫化物纳米片、二维金属有机骨架材料、二维共价有机骨架材料中的一种或多种，所述二维结构有机或无机纳米片的厚度不大于10纳米。

作为进一步优选的，所述二维纳米结构电解液添加剂可在非水碱金属电池电解液中形成均匀胶体。

按照本发明的另一方面，还提供一种二维纳米结构电解液添加剂的制备方法包括以下步骤：

(1)采用球磨、超声分散或者化学方法将有机或无机块状材料剥离成厚度小于10纳米的二维纳米片；

(2)将所述二维纳米片加入去离子水中分散均匀，得到二维纳米片分散液，并将所述二维纳米片分散液冷冻干燥后，得到二维纳米结构电解液添加剂。

作为进一步优选的，步骤(1)中，所述球磨的时间为10h～20h；所述超声分散的时间为1h～10h；超声分散所用的分散剂为水、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。

作为进一步优选的，步骤(2)中，在所述二维纳米片分散液冷冻干燥前，还需对二维纳米片分散液进行真空抽滤。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种非水碱金属电池电解液，所述电解液包括电解质盐、非水有机溶剂、权利要求1所述的二维纳米结构电解液添加剂。

作为进一步优选的，所述二维纳米结构电解液添加剂在非水碱金属电池电解液中的质量分数为0.05％～10％。