[发明专利]一种含氟电解质添加剂、电解液及锂离子电池

说明书

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种含氟电解质添加剂、电解液及锂离子电池。添加剂中的氟原子具有较强的电负性和极弱的极性，使得含氟添加剂具有较低的未占据分子轨道和较低的最高占据分子轨道能量，添加剂可优先于溶剂在阳极和阴极上形成SEI层，界面层可防止电极与电解液的直接接触，有效钝化电极；低极性碳氟链与聚丙烯隔膜具有良好的亲和性，可以润湿隔膜，促进Lisupgt;+/supgt;顺利通过隔膜，不仅可以提升锂离子在电池内部的动力学性能，并且可以促使Lisupgt;+/supgt;均匀沉积在Li金属表面减少锂枝晶的生长；引入含有孤对电子的O、S、N等原子可以与电解液体系中的痕量水、HF反应，达到去除电解液体系中有害物质的目的。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种含氟电解质添加剂、电解液及锂离子电池。

背景技术

近年来，由于环境问题日益严重，用清洁能源取代传统化石燃料是减少碳排放的有效方法。锂离子电池作为一种清洁的储能能源，已被广泛应用于各种应用领域，并有望在未来几年随着储能系统和电动汽车行业的兴起而蓬勃发展。锂(Li)金属因其超高的理论容量(3860mA·h·g^-1)、最低的电化学电位和较低的密度被认为是一种很有前途的负极材料。然而，锂金属电池循环过程中存在的两个严重的问题一直阻碍着其进一步地商业化应用：其一是电解液与金属锂接触产生的固态电解质界面(SEI)层中的有机组分容易产生裂纹，导致锂电极与电解液重新接触，SEI不受限制地生长，这将导致锂源的持续损失和锂金属电池容量的快速衰减；其二是在连续镀/剥离过程中，不规则的锂枝晶会不可控地生长，这可能会刺穿分离器，导致热失控和爆炸危险。

为了抑制锂枝晶的生长，提高锂金属电池的效率以及安全性能，科研人员对电解液组成优化、阳极结构设计、分离器改造、集流器设计等方面进行了大量的努力。特别是，引入功能性电解质添加剂形成稳固的电极-电解质界面层被认为是解决抑制锂枝晶生长问题的经济实用的策略。SEI层的作用是在循环时形成一层保护膜，不仅能促进Li⁺的迁移，还可以防止电解质与Li阳极之间的副反应。碳酸亚乙烯酯是一种经典的成膜添加剂，其主要还原产物聚碳酸酯具有较高的还原电位(～1.4V)和极佳的柔韧性，有助于稳定的SEI成膜。但是，碳酸亚乙烯酯成膜添加剂的高温性能较差，在商业应用中一般与其他添加剂联用。氟代碳酸乙烯酯(FEC)是应用最广泛的SEI成膜添加剂之一。Zhang等人发现添加FEC添加剂可在负极上形成致密的SEI膜，均匀且无枝晶形态使Li||Cu半电池在100次循环中的库仑效率提高98％。但是，FEC在电解质盐LiPF₆的副反应产物--PF₅等路易斯酸的催化下，尤其高温时会产生更多的酸性物质，导致更多副反应的发生、锂离子电池的循环性能下降。同时，LiPF₆能与电解质中微量的H₂O反应生成HF。更糟糕的是，HF作为腐蚀性物质导致过渡金属从阴极中浸出，导致溶剂分解。此外，导电性差的LiF的形成导致锂离子的消耗，影响电池动力学。

因此开发一种新型的多功能电解质添加剂是十分有必要的。首先，该添加剂应该同时具有阳极成膜和阴极成膜的特点，保护正、负电极不受溶剂的腐蚀。其次，该添加剂能够改善隔膜润湿性从而抑制锂枝晶的生长；最后，该添加剂应该具有去除电解质中痕量水的能力，保护形成的SEI膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含氟电解质添加剂、电解液及锂离子电池，解决目前锂金属电池锂枝晶的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种含氟电解质添加剂，其结构式为：

其中：X为O、N或S。

本发明还公开了一种电解液，包括电解质盐、溶剂和所述的含氟电解质添加剂，所述含氟电解质添加剂的质量为所述电解液总量的0.1％-10％。

进一步，所述含氟电解质添加剂的质量为所述电解液总量的0.5％-7％。