[发明专利]一种高浓度再稀释电解液及其制备方法

说明书

本发明公开一种高浓度再稀释电解液及其制备方法。高浓度再稀释电解液是一种具有局域高浓度结构的新型电解液，溶液中锂离子仅与溶剂分子和锂盐阴离子配位而不与稀释剂配位，且不存在自由溶剂和自由阴离子。制备该电解液需按照溶剂供体数阴离子供体数稀释剂供体数的原则，选取溶质、溶剂和稀释剂，并通过绘制三元溶解度相图确定三者配比，从而可获得一系列比例可调的高浓度再稀释电解液。所述高浓度再稀释电解液展现出与高浓度电解液类似的电化学性质，可以改善传统低浓度电解液工作电压受限、副反应严重、难以形成稳定界面等不足；又能解决高浓度电解液高粘度、高成本等问题，适用于锂离子电池、锂金属电池、锂硫电池、锂空气电池等。

技术领域

本发明涉及电池电解液领域，具体涉及一种高浓度再稀释电解液及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长等特点已广泛应用于日常生活的各个领域，如手机、笔记本电脑、电动汽车等。随着人们对高能量密度的追求，锂电池的研发不断推向其性能极限，材料活性增加、稳定性下降。高电压、大容量正极材料(镍锰酸锂LNMO、高镍三元层状材料NCM、富锂锰基LMR等)和低电压、高容量负极材料(如金属锂、硅碳复合材料等)均面临循环稳定性差、安全风险高等问题。电解液同时与正负两极相连，影响电极与电解液的界面稳定性，成为影响高能量密度锂电池性能的关键因素。

传统锂离子电池电解液通常以六氟磷酸锂(LiPF₆)作为锂盐，以高粘度、高介电常数的环状碳酸乙烯酯(EC)为溶剂，为了改善粘度、工作温度等性能，通常还会加入链状碳酸酯如碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)等作为混合溶剂，配制成锂盐摩尔浓度1～1.5mol/L的电解液。该电解液中EC能够在常规的石墨负极上产生性能良好的钝化膜阻止电解液与石墨负极的进一步反应，从而提高电池的循环性能；所使用的LiPF₆能够与正极Al集流体反应产生致密的AlF₃从而抑制铝腐蚀。基于上述性能，低浓度LiPF₆/EC基电解液已成功商业化，其基本组分近30年未发生重大改变。

随着高能量密度锂电池的研发，电池工作电压逐步由4V提升至5V，传统LiPF₆/EC基电解液面临诸多挑战，如：①发生自分解导致电池无法正常工作；②与正极材料发生反应形成不稳定的正极-电解液界面，导致电池性能迅速衰减；③与金属锂等活性负极材料反应产生机械强度较差的有机固态电解质界面膜(SEI)，无法抵抗充放电过程中负极体积变化带来的应力，导致SEI膜反复破裂和生长；④LiPF₆热稳定性差、易与微量水反应，极大限制了电解液的工作温度区间和使用环境；⑤容易产生热失控等安全问题。由此可见，传统电解液已难以满足下一代高能量密度锂电池的发展需要，亟需研发高性能的新型电解液。

当选择合适的溶质和溶剂，并大幅提高溶质的浓度至一定阈值时(通常溶质浓度大于3mo/L，对应的摩尔分数大于25％)，溶液中溶质与溶剂间作用力增强，自由态的溶剂分子消失，形成一种新的电解液，即高浓度电解液。该电解液具有特定的三维网络结构，锂离子与有限溶剂分子和阴离子形成配位，显著区别于以自由态溶剂分子为主体的常规低浓度电解液，从而具有一系列特有的物理化学性能。首先，电解液的工作电压范围变宽，匹配高电压正极材料实现稳定充放电；第二，有助于抑制双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)和双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)为代表的磺酰亚胺基电解液对铝集流体的腐蚀；第三，其三维网络结构可抑制高电压下正极过渡金属的溶解；第四，可燃性溶剂分子较少，可缓解电解液与正极产生的活性氧的反应，提高电池的安全性；第五，阴离子优先被还原，获得坚固的无机结构固态电解质界面膜，有助于保护负极，如抑制金属锂枝晶的生长，同时降低电解液与负极之间副反应，提高充放电库伦效率。