[发明专利]一种锂金属电池用低温电解液及其应用

说明书

本发明公开了一种锂金属电池用低温电解液及其应用，该电解液包括锂盐、有机溶剂和成膜添加剂，其中有机溶剂由羧酸酯类溶剂和醚类溶剂组成，有机溶剂在电解液中体积占比为85~99%；成膜添加剂在电解液中体积占比为1~15%；羧酸酯类溶剂和醚类溶剂的体积比为（2~6）：（2~6）。该电解液在低温环境下具有熔点低、阻抗特性低和耐高压能力强等优点，应用于锂金属电池提高了低温容量、改善了低温循环稳定性。

技术领域

本发明涉及了一种低温电解液，特别涉及一种锂金属电池用低温电解液及其应用，属于电化学储能技术领域。

背景技术

自二次电池商业化来，对高能量密度电池的需求日益增长，促使人们重新重视以锂金属为阳极的锂金属电池，锂金属阳极具有最低的氧化还原电位（相较于标准氢电极为-3.04V）以及高理论比容量(3860 mAh g⁻¹)，作为下一代高能量密度储能器件的关键电极材料具有重大发展前景。但是在低温使用环境下，以EC/DMC为主的商用锂电池电解液无法满足锂金属电池的充放电需求。在以EC/DMC为主的商用锂电池电解液在-20℃以及更低的温度下粘度会上升，电导率会急剧下降，从而造成电池的容量衰退甚至安全问题。

当前，低温锂金属电池所面临的主要问题是寻找合适的低温电解液。在低温下，电解液会发生电导率下降以及粘度降低等影响电池低温性能的变化。因此，在低温电池的应用领域，如何开发低温电解液显得尤为重要。醚类电解液虽然能够很好地改善锂金属电池的低温循环稳定性，在低温锂金属电池中运用较多，但醚类电解液普遍存在着不耐高压的问题。尤其是当锂金属电池的正极材料为电压较高的钴酸锂材料时，醚类电解液由于本身电化学窗口上限较低，无法正常适配，会直接导致电池的失效。所以如何能够在适配高压正极的条件下同时保留锂金属电池的低温稳定性，对于低温锂金属电池电解质的开发来说，具有很大意义。

发明内容

针对现有技术中锂金属电池中电解液存在的不足，本发明的第一个目的是在于提供一种在低温下具有熔点低、黏度小、氧化还原稳定性好的电解液。该电解液与锂金属电池的适配性好，同时还可以适应高电压的正极材料，在低温环境下，锂金属电池能保持较高的放电比容量和循环稳定性，显著改善了锂金属电池的低温性能。

本发明的第二个目的是在于提供一种锂金属电池用低温电解液的应用，将其应用于锂金属电池，表现出优异的低温性能，并且能适配于高电压正极材料，大大扩展了锂金属电池的应用领域。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种锂金属电池用低温电解液，该低温电解液包括锂盐、有机溶剂和成膜添加剂，所述有机溶剂由羧酸酯类溶剂和醚类溶剂组成，有机溶剂在电解液中体积占比为85~99%；所述成膜添加剂在电解液中体积占比为1~15%；其中，羧酸酯类溶剂和醚类溶剂的体积比为（2~6）：（2~6）。

本发明的电解液可以在低温下使用的原理是在于采用了羧酸酯类溶剂代替了传统的碳酸酯类溶剂，羧酸酯类有机溶剂为极性非质子溶剂，含有C=O极性基团，能够有效地溶解锂盐，通过与锂离子的配位实现传导。同时羧酸酯类有机溶剂相比于传统碳酸酯类溶剂EC、EMC等具有熔点低、粘度小、介电常数高、氧化还原稳定性高等优点。但对于锂金属电池来说，酯类电解液由于极性较强，单独使用则很容易与负极反应。一般来说，当采用高电压的正极材料时，如果仅使用醚类溶剂，由于锂离子配位点大量增多，会造成电解液的有机溶剂分解，从而造成无法放电的现象。而本发明通过在醚类溶剂中加入适量的羧酸酯类溶剂，提高了电解液溶液的稳定性，一方面保证适量的锂离子的配位点保证传导，另一方面可以降低电解液的熔点和粘度，从而实现了与高电压正极材料适配在低温下的优异的电化学性能。而另一方面本发明通过添加少量的成膜添加剂可以形成良好的SEI/CEI膜，使得锂离子可自由进出，而溶剂分子难以通过，维护了电极材料性能稳定性，提高了电池容量与循环性能。