[发明专利]一种稳定金属锂沉积的电解液及其在锂金属电池中的应用

说明书

本发明属于锂金属电池领域，具体公开了一种稳定金属锂沉积的电解液；包含导电锂盐、有机溶剂和添加剂组成的有机溶液；所述的所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。本发明还包括所述的电解液的应用以及包含所述电解液的锂金属电池。本发明所述电解液配方简单、成本低廉且适合大规模产业化。采用本发明所述电解液可以实现均匀的锂沉积，有效避免充放电过程中的锂枝晶，极大的改善了其循环性能安全性能。该电解液可以作为锂硫电池、锂空电池等以金属锂为负极的储能器件中，实现其长循环的稳定性。

技术领域

本发明涉及一种稳定金属锂沉积的电解液，属于储能材料及纳米技术领域。

背景技术

随着人们对储能设备的需求越来越高、对锂离子电池的能量密度要求也越来越高，目前传统锂离子电池已经不能满足对高能量密度储存设备的要求，产业化锂离子电池的正负极材料的能量密度已经接近理论能量密度，很难再有较大的提高，锂凭借其超低的电化学势和超高的比能量，被誉为“圣杯级”负极材料，以锂金属为负极的锂三元电池、锂硫电池、锂氧电池等因其能量密度高、成本低、环境友好等显著优势，已经成为新能源电池领域的研究热点。

不同于常规的锂离子电池的阳极发生的是锂离子在石墨阳极中的嵌入和脱出；锂金属电池阳极的充放电过程是锂金属的溶解和沉积过程；其基本反应式为：充电:Li⁺+e＝Li；放电:Li-e＝Li⁺。而金属锂在反复充放电过程中易出现粉化、枝晶等问题，导致其循环性能较差，锂枝晶刺穿隔膜造成电池短路还有可能引发严重的安全事故。因此，对于各类以锂为负极的储能器件来说，不解决金属锂负极的问题，这类电池很难实现产业化。

从电化学的角度来看，锂负极枝晶问题的本质原因在于锂在电化学沉积溶解过程溶解过程的不均匀性和金属锂与电解液之间的高反应活性。理论上的解决方案可从两个方面入手，一是降低其电极反应过程中的交换电流密度，二是尽可能的降低或消除锂离子扩散过程中的扩散传质的影响，均匀化锂离子的传质通量。目前针对锂负极的枝晶生长问题的解决策略大致可以分为以下几种：(1)在负极表面构筑人造固体电解质界面(SEI)膜，或采用电解液成膜添加剂；(2)采用高浓度电解液或脉冲沉积(3)采用固态电解质、聚合物电解质或凝胶电解质作为锂负极表面修饰层；(4)采用多孔或空心的三维导电集体为锂的沉积基底。这些方法均能在一定程度上解决枝晶问题，提升锂负极性能，但是往往作用有限，例如人造SEI膜在一定程度上可以延缓枝晶的生长，但是在大电量长循环的情况下，仍无法解决体积效应带来的问题；固态电解质可以改善锂离子对流传质，但是在实际电池中固态电解质和锂负极之间很难形成和维持均匀的接触界面，仍然会造成负极表面电流密度分布的不均匀，引起锂枝晶生长；而三维导电集体虽然能够很好的缓解锂沉积过程中的体积效应，但是更大的比表面积导致了更多的SEI膜的生成，反而增大了电极表观交换电流密度，使锂沉积更加不均匀。

而电解液作为锂电池四大组成部分之一，对锂离子传输过程起着至关重要的作用，各种针对电解液的的设计，如不同溶质溶剂的选择、不同的电解液电解液添加剂，都能够对锂负极起到明显的改善作用。但现有锂金属电池电解液的性能还有待改善。

发明内容

本发明的目的是针对目前锂金属负极应用技术的不足，提供一种可以稳定锂沉积的锂电池电解液，可以极大的改善金属锂负极的枝晶和循环性能较差的问题。

本发明第二目的在于，提供一种稳定金属锂沉积的电解液在锂金属电池中的应用方法。

本发明第三目的在于，提供一种添加有所述的稳定金属锂沉积的电解液的锂金属电池。

一种稳定金属锂沉积的电解液，包括导电锂盐、有机溶剂和添加剂；

所述的添加剂为纳米级的氮化硼、氮化铝、氮化钙、氮化镁、氮化硅、氮化钛、氮化钒、氮化钨、氮化铌、氮化钽中的一种或几种。