[发明专利]一种含复合添加剂的锂金属电池电解液及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含复合添加剂的锂金属电池电解液，包括电解质锂盐、有机溶剂和复合添加剂，所述有机溶剂为酯类溶剂，所述的复合添加剂包括路易斯酸和硝酸锂。本发明所述的锂金属电池电解液可以在锂金属负极表面原位转化成一层富含氮化物、氧化锂的无机快离子固态电解质保护层，促进锂金属沉积晶粒粗化，抑制纳米级枝晶状沉积形成，提高电池安全性；并且与目前锂离子电池工艺技术相兼容，具有商业化潜力。本发明还公开了上述锂金属电池电解液的制备方法，包括以下步骤：在惰性气体保护下，将复合添加剂加入到溶有电解质锂盐的酯类溶剂中，并在25～60℃范围内加热搅拌1～6小时。制备方法操作简单，工艺稳定。

技术领域

本发明涉及二次高能量密度电池技术领域，具体涉及一种锂金属电池电解液。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车等新能源科技行业的快速发展，全球对具有高能量密度高安全系数储能设备的需求日益增长。基于石墨为负极的锂离子电池受限于负极较低的理论容量(372mAh g^-1)，其能量密度已经近乎理论极限，很难再有大的提升。

锂金属负极因其极高的理论容量(3860mAh g^-1)和超低的电化学势(-3.04V)被认为是高能量密度电池体系的终极负极材料，也是300Wh kg^-1以上二次电池的关键技术。

然而，化学性质及其活泼的锂金属极易与电解液体系形成不稳定的电化学界，并在充电过程中促进纳米级针状锂金属沉积，并在放电过程中转化为失去电化学连接的“死锂”，这些都会导致电池极化增大并加剧电池短路爆炸的风险。

通过改变电解液组成可以有效改善锂金属电极界面组成，从而调节锂金属沉积/剥离形貌，提升电池循环性能以及安全性。在酯类电解液中引入高浓度的双氟磺酸亚胺锂(4M)可以促进FSI-阴离子的界面电化学还原，促进富含LiF的界面生成，提升锂库伦效率(Highly Fluorinated Interphases Enable High-Voltage Li-Metal Batteries,Chem2018,4,174–185)。通过分子设计的手段，引入全氟化电解液同样可以在正常电解液浓度下实现富含LiF界面的生成，抑制枝晶状锂沉积形成(Non-flammable electrolyteenables Li-metal batteries with aggressive cathode chemistries,Nat.Nanotech2018,13,715-722)。

醚类电解液中常用的硝酸锂添加剂可以促使富含氮化物、氧化锂的无机稳定电化学界面形成，但是硝酸锂在酯类电解液(如碳酸乙烯酯，氟代碳酸乙烯酯)中几乎不溶解，溶解度仅为800ppm(Solubility-mediated sustained release enabling nitrateadditive in carbonate electrolytes for stable lithium metal anode,Nat.Commun.,2018,9,3656)。研究人员通过微量缓释的方法，将硝酸锂不溶晶体固定于电池体系内，通过硝酸锂缓释可以有效提升电池循环寿命(High-capacity rechargeablebatteries based on deeply cyclable lithium metal anodes,PNAS,2018,115,5676-5680)。

但是，硝酸锂在酯类电解液中溶解度低的本质问题并没有得到解决。

发明内容

本发明提供了一种锂金属电池电解液，通过路易斯酸和硝酸锂构成配位化合物，增加硝酸锂在酯类电解液中的溶解度，减缓“死锂”形成，从而提升锂金属电池全电池的电化学性能以及循环寿命。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案为：

一种锂金属电池电解液，包括电解质锂盐、有机溶剂和复合添加剂，所述有机溶剂为酯类溶剂，所述的复合添加剂包括路易斯酸和硝酸锂。