[发明专利]一种用于金属锂电池的电解液及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于金属锂电池的电解液及其制备方法和应用，所述电解液包含离子液体；所述离子液体中的阳离子选自吡咯烷类阳离子、哌啶类阳离子或咪唑类阳离子中的任意一种或者至少两种的组合；所述电解液通过添加离子液体，进而可以控制金属锂的均匀沉积、抑制锂枝晶生长，从而改善了金属锂二次电池的循环性能和安全性。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种用于金属锂电池的电解液及其制备方法和应用。

背景技术

金属锂电池具有高比能量(≥400Wh/kg)，但未实现广泛的商业化，主要原因是重复充电-放电过程中锂枝晶的生长导致金属锂负极具有两个重要缺陷：一个是由于潜在枝晶短路和高表面积而造成的安全隐患；另一个是锂枝晶断裂产生“死锂”引起的循环库仑效率低、电池循环寿命短，而锂枝晶的生长是由电池充电过程中锂离子沉积不均匀导致的。

为了抑制锂枝晶的生长、提升金属锂二次电池循环寿命，目前主流的方法是锂负极表面的修饰和改性，即在锂负极表面形成一层稳定的固态电解质界面膜(SEI)，通过调节这一层保护层的性质来抑制枝晶生长。采用含连续多个乙二醇结构的分子作为电解液添加剂、增强SEI的金属锂负极保护效果，使得锂离子倾向于多位点沉积，从而提升沉积过程的均匀性。CN109818057A公开了一种含有多个连续乙二醇结构的分子作为金属锂二次电池用电解液添加剂以及使用含有该添加剂电解液的金属锂二次电池。所述金属锂二次电池用电解液由锂盐、非水溶剂和含多个连续乙二醇结构的分子的添加剂构成，所述含多个连续乙二醇结构的分子作为添加剂时，其质量相对于非水溶剂体积的比值优选为0.1～10mg/mL。该发明通过选取含有特定量的特定添加剂成分的电解液，能够有效的增加充放电早期锂沉积时的成核位点，使得锂的沉积更加均匀，从根源上抑制了金属锂二次电池在充放电循环中锂枝晶的生长，从而显著提高了金属锂二次电池的循环性能和安全性。也可以采用磺酰氯、亚硫酰氯等电解液添加剂，在金属锂电极表面形成了一层稳定的含有无机盐的固态电解质层，从而改善了金属锂负极的枝晶生长问题。CN110176622A公开了一种金属锂二次电池电解液及其制备方法和应用，所述电解液包括锂盐、有机溶剂和添加剂，锂盐溶解在有机溶剂中，所述添加剂包括磺酰氯SO₂Cl₂等，所述锂盐在金属锂二次电池的电解液中的浓度为0.01～10mol/L，所述添加剂在电解液中的质量百分含量为0.01～5％；该发明的电解液可以在金属锂电极表面形成一层稳定的含有无机盐固态电解质层，可以在往复沉积过程中抑制枝晶生长，极大地增加了金属锂二次电池的安全性。采用本发明提供的电解液，无需额外添加机械阻隔层或三维结构电极，技术简单，并与现行工业生产技术接近，易于大规模生产，适用于金属锂二次电池。CN111755753A公开了一种锂离子电池电解液添加剂环碳酸硫酸乙烯酯及其制备方法。采用如下方法制得到备：将六元醇、碳酸酯置于反应容器中，然后加有机碱或无机碱作为催化剂，升温进行酯交换反应，减压将副产物分离；加入磺酰氯或磺酰氟反应掉残余羟基，减压将副产物及多余原料分离后制备得到环碳酸硫酸乙烯酯。本发明的方法采用多元醇与碳酸酯通过酯交换反应制得环状碳酸乙烯酯，然后使用磺酰氯和磺酰氟反应掉残余羟基，制备环碳酸磺酸乙烯酯，此化合物结构含有硫酸乙烯酯结构，可以替代部分DTD的使用降低电解液成本。

上述方法通过对金属锂负极SEI的改性、增强，能够在一定程度内缓解锂枝晶导致电池产生的缺陷，但金属锂负极的充放电体积变化大，SEI会因为结构稳定性不足导致电解液及添加剂的持续消耗，因此，基于SEI优化的方法，只能在较短的循环寿命内有效，随着电池循环次数的增加，电解液及添加剂消耗严重，枝晶抑制效果大大减弱。

因此，开发一种具有长时间金属锂负极保护作用的电解液，是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于金属锂电池的电解液及其制备方法和应用，所述电解液包含离子液体；所述离子液体中的阳离子选自吡咯烷类阳离子、哌啶类阳离子或咪唑类阳离子中的任意一种或者至少两种的组合；所述电解液可以控制锂均匀沉积、抑制锂枝晶生长，从而有效改善金属锂电池的循环性能和安全性。