[发明专利]锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液

说明书

锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液，属于电化学储能技术领域。该电解液含有锂盐、溶剂及添加剂，锂盐浓度范围在1.0‑5.0mol/L，优选1.2‑5.0mol/L。本发明的电解液可应用在锂离子电池、锂金属电池等领域，可以显著提升电解液的电化学稳定窗口，抑制过渡金属的溶出，组装成的锂离子电池首圈库伦效率高、容量高、循环稳定性好。

技术领域

本发明属于电解液技术领域，具体地，涉及锂离子电池高电压正极材料高浓度电解液的制备以及该电解液在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为一种便携式储能设备也广泛应用于手机、笔记本电脑、相机、电动自行车和电动汽车等领域。根据中国汽车工程学会公布的《节能与新能源汽车技术路线图》，到2020年，纯电动汽车动力电池单体比能量密度达到350Wh/kg；2025年达到400Wh/kg；2030年则要达到500Wh/kg。根据对现有产业技术的了解，现在锂离子电池的能量密度在240Wh/kg左右，但是现在电动汽车的续航里程还不太令人满意，因此提升锂离子动力电池的能量密度迫在眉睫。

为了满足汽车的高能量密度要求，一个实用的方法是提高电池的工作电压，电池工作电压逐步从4V提升到5V。高压正极材料例如LiNi_0.5Mn_1.5O₄和富锂层状氧化物制备技术已逐渐成熟。富锂锰基材料具有成本低、容量高、无毒安全等优点，但同时也存在一些挑战。存在首圈循环不可逆容量高、高压下电解液分解、电极与电解液的副反应加剧和过渡金属的溶出等问题，目前寻求适用于高电压正极材料的电解液迫不及待。

传统上，锂盐浓度为1.0mol/L，但其存在热稳定性差、易燃性高、电化学窗口窄的缺点，高浓度电解液因其独特的溶剂化结构展现出优异的性能。高浓度下几乎所有的溶剂分子和阴离子参与溶剂化，形成特殊的三维网状结构。(1)与Li⁺配位的溶剂分子显示出比其自由状态的分子更高的氧化稳定性，这是由于其最高分子占据轨道(HOMO)水平向下移动。因此，高浓度电解液可以减少溶剂氧化分解，拓宽电解液的电化学稳定窗口；(2)阴离子优先氧化，构筑稳健的有机-无机复合正极与电解液界面膜(CEI)，抑制电解液与电极之间的副反应；(3)改善倍率性能，Li⁺可在电极进行快速的嵌入脱出反应；(4)高浓度电解液产生稳固的负极与电解液界面膜(SEI)，其抑制电解质和Li金属之间的副反应以及枝晶生长；(5)抑制过渡金属的溶解，三维网状溶剂化结构很少有自由状态溶剂分子协调来自正极的金属阳离子；电极与电解液界面膜的保护进一步增强的3D网络抑制了金属阳离子扩散到本体电解质相；(6)抑制电解液的燃烧，高浓度电解液呈现饱和状态，减少了溶剂的挥发。

电解液的开发是高压正极材料锂离子电池研发的关键之一。基于上述高浓度电解液的优势，优选合适的电解液体系，同时提升高压正极材料锂离子电池循环稳定性和安全性能，这具有重要的科研和应用价值。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种适用于高压正极材料电解液，此电解液为高浓度电解液。通过简单溶剂化结构的策略来改变锂离子的溶剂鞘层，拓宽电解液的电化学窗口，抑制高压状态下电解液分解；构筑稳健韧性的正极固态电解质膜，抑制电极与电解液发生的副反应，过渡金属的溶解，以此实现锂离子电池长循环寿命、高库伦效率和高安全性能。提供一种新型高浓度电解液以及该电解液在锂离子电池、锂金属电池、锂的电沉积中的应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：

本发明提供的一种高浓度电解液，该电解液含有锂盐、溶剂及添加剂，锂盐浓度范围在1.0-5.0mol/L，优选1.2-5.0mol/L。