[发明专利]一种电解液添加剂及其应用及其锂金属电池

说明书

本发明公开了一种电解液添加剂及其应用及其锂金属电池，属于锂金属电池领域。本发明采用碱金属阳离子和具有氧化还原可逆反应的阴离子组成的离子化合物作为锂金属电池的双功能电解液添加剂，可以起到双功能保护作用，一方面低浓度的碱金属阳离子有较低的还原电位，因此其易吸附在锂表面的不平整处，从而使锂离子均匀沉积，减少锂枝晶的产生。另一方面具有氧化还原可逆反应的阴离子可以将死锂转化成可溶性Li+，从而继续参与后续的循环过程，大大提高了锂的利用率。并且上述两种作用均是可逆的，因此这类电解液添加剂不会在多次循环过程中被消耗殆尽，仅需添加少量该电解液添加剂便可以源源不断的保护锂金属电池。

技术领域

本发明涉及锂金属电池技术领域，更具体地说，涉及一种电解液添加剂及其应用及其锂金属电池。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度和便携的优势，在个人电子设备、电动汽车等领域实现了规模化应用。在已知的负极材料中，锂金属负极以3860mAh·g^-1的高容量和最负的电势(-3.040V vs标准氢电极)而成为储能界的“圣杯”，受到研究人员的关注。金属锂作为负极可用于锂硫电池、锂空气电池和锂氧化电池等，是高能量密度二次电池研究的热点。但是，锂金属负极在循环过程中，会有死锂和锂枝晶的产生、电解液被消耗以及锂沉积不均匀，这将会导致锂金属电池存在安全性与循环性能较差等问题，减少死锂以及使锂均匀沉积是实现高能量密度锂金属电池(如锂硫电池、锂氧电池等)规模化应用的关键。

目前，关于锂负极保护的报道中，解决死锂积累的方法是从本质上调节固体电解质界面层(SEI膜)以抑制锂枝晶的生长，这将会间接减少死锂的积累，如清华大学的张强等人通过将氟化共溶剂与缓释添加剂相结合来合理设计可持续的SEI膜，但是在实际应用中，死锂仍然会出现，使电池具有较差的寿命(AngewandteChemie,2019.59(8)：3252-3257)，并且此类氟化共溶剂添加剂会在多次循环过程中被消耗后无法保持性能。美国太平洋西北国家实验室的张继光等人等人使用Cs+作为锂金属电池电解液的添加剂，通过同性电荷相互排斥的作用起到了表面自平滑的效果，避免了锂枝晶的产生，但是这种方法无法减少死锂的产生，因此其对锂金属电池的改善效果十分有限(Journal of the American ChemicalSociety,2013,135(11)：4450-4456.)。因此，目前仍然缺乏一种锂金属电池用的双功能电解液，可以同时起到使锂离子均匀沉积并减少死锂的作用。并且，目前常用的电解液添加剂均为消耗型添加剂，迫切需要开发一种可持续作用的电解液添加剂。

经检索，申请号为2018110874024的申请案公开了一种锂离子电池电解液添加剂和电解液，电解液添加剂为卤素阴离子和金属阳离子构成的盐类化合物，卤素阴离子为卤族元素阴离子和/或拟卤素阴离子；金属阳离子为碱金属阳离子、碱土金属阳离子、过渡金属阳离子、主族金属阳离子和类金属阳离子中的一种或几种。该添加剂能在电池循环过程中与锂离子正极材料钴酸锂发生特定的理化反应，在电极界面生成稳定的保护膜，防止了正极材料结构的崩塌。申请号2018114914444的申请案公开了高电压锂离子电池用功能性添加剂、高电压锂离子电池电解液及高电压锂离子电池，该功能性添加剂包括金属阳离子和阴离子团；金属包括除锂之外的钠、钾、铷、铯、钫、碱土金属、化学元素周期表中第一副族元素或化学元素周期表中第二副族元素中的至少一种；阴离子团包括含硫阴离子团、含硼阴离子团或含氰根阴离子团中的至少一种。该功能性添加剂中特定的金属阳离子和阴离子团共同构成SEI膜的主框架，可在锂离子电池的正极表面形成一层致密均匀且阻抗低的SEI膜，抑制电解液溶剂和导电锂盐的分解，避免正极材料被电解液溶剂或导电锂盐的分解副产物所腐蚀，稳定正极材料结构，改善电池循环稳定性。但对于上述提到的死锂、锂枝晶产生、锂沉积不均匀等问题并不过多关注。

发明内容

1.发明要解决的技术问题