[发明专利]富勒烯衍生物作为电解液添加剂的应用及相应金属电池

说明书

本发明属于二次电池领域，公开了富勒烯衍生物作为电解液添加剂的应用及相应金属电池，该富勒烯衍生物具体是作为电解液添加剂添加至金属电池的电解液中。本发明通过向金属电池的电解液中引入富勒烯衍生物作为电解液添加剂(除了仅由富勒烯衍生物构成的单一成分的电解液添加剂外，还可以是由富勒烯衍生物与其他成分配合组成多成分的电解液添加剂)，并得到相应的金属电池，一方面可以与金属负极反应原位生成一层稳定的钝化膜，从而阻挡金属负极与电解液的直接接触，减少金属的消耗，增加电池的循环寿命，另一方面反应后的富勒烯会沉积到金属负极表面使金属均匀沉积从而减少枝晶的产生，提高电池的安全性能。

技术领域

本发明属于二次电池领域，更具体地，涉及一种富勒烯衍生物作为电 解液添加剂的应用及相应金属电池，对应着一种新型的用于金属电池的电 解液添加剂及应用。

背景技术

金属电池是以金属单质作为负极材料主要成分的电池，以锂金属电池 为例，金属锂因为其具有较高的比容量(3860mA/g)和最低的电位(-3.04 vs标准氢电极)。金属锂作为负极可用于锂硫电池，锂空电池，嵌入式正极 锂电池和锂氧化物正极电池等，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发生的锂枝晶生长和SEI膜破裂分别给金属锂电 池带来了安全性与循环性问题，影响了金属锂负极的发展与商业化。其他金属电池，如钠金属电池、钾金属电池、锌金属电池等也相似。

对于金属锂负极的解决方法主要在于控制锂沉积的形貌和构成较为稳 定的SEI膜上面。从以上两点出发，清华大学的张强等人通过在含硝酸锂 的LiTFSI盐电解液中添加了多硫化物(Li₂S_x)来形成强化晶界的SEI膜， 由此提高锂离子的传输速率从而得到均一的沉积表面(Energy Storage Materials 2018 10:199-205)。但是这种方案并不可以一劳永逸，添加剂 在不断地被消耗后便无法保持性能。美国太平洋西北国家实验室的张继光 等人开发了局部高浓度电解液，通过提高电解液中溶剂化结构的原理来加 快锂离子传输，均一化锂金属沉积从而抑制了锂金属表面枝晶的生长(Adv Mater 2018 30(21):e1706102)。但由于高浓度电解液含有大量锂盐，生 产成本过高，也很难将其应用于实际生产中。因此，寻找高效且能持续作 用的电解液添加剂是解决包括锂金属负极在内的金属负极问题的重要手 段。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供富勒烯 衍生物作为电解液添加剂的应用及相应金属电池，通过向金属电池的电解 液中引入富勒烯衍生物作为电解液添加剂(除了仅由富勒烯衍生物构成的 单一成分的电解液添加剂外，还可以是由富勒烯衍生物与其他成分配合组 成多成分的电解液添加剂)，并得到相应的金属电池，一方面可以与金属 负极反应原位生成一层稳定的钝化膜，从而阻挡金属负极与电解液的直接 接触，减少金属的消耗，增加电池的循环寿命，另一方面反应后的富勒烯 会沉积到金属负极表面使金属均匀沉积从而减少枝晶的产生，提高电池的 安全性能。以锂金属电池为例，本发明能够解决常规金属负极在循环过程 与电解液反应生成不稳定的固相界面的现象，以及金属负极与电解液反应 产生的死锂从而降低循环性能的现象，利用本发明制备的锂金属负极可以 用于下一代锂金属电池，包括锂-硫、锂-空气电池的生产。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了富勒烯衍生物作为 电解液添加剂的应用，其特征在于，该富勒烯衍生物具体是作为电解液添 加剂添加至金属电池的电解液中。

作为本发明的进一步优选，所述富勒烯衍生物具体是作为单组分添加 剂或是与其他成分配合组成多成分的电解液添加剂，添加至金属电池的电 解液中的；其中，所述其他成分为氟化碳酸酯、硝酸锂、多硫化锂、氟化 锂、碳酸亚乙烯酯中的一种或几种。

作为本发明的进一步优选，所述富勒烯衍生物具体为富勒烯多氯化物， 富勒烯多氟化物，富勒烯多溴代物，富勒烯多碘化物，富勒烯多硝基化物， 富勒烯多羧酸化物，富勒烯多酯基化物，富勒烯多羟基化物，富勒烯多氨 基化物，富勒烯多哌嗪化物，富勒烯多磺酰胺化物中的一种或几种。