适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液及其制备方法与应用

本发明属于锂金属电池，具体涉及一种适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂金属由于较高的理论容量(3860mah g-1)以及最低的氧化还原电位(-3.04vvs.s.h.e.)，因此，锂金属电池受到了研究人员的广泛关注，也被广泛应用到便携电子设备以及电动汽车的等生活中的各个方面。

2、然而，要实现电池在几分钟内快速充电仍然存在严重的挑战。一方面，金属锂较高的活性，在电池充放电过程中容易形成枝晶，使电池存在严重的安全隐患，同时导致大量的死锂生成，减少活性锂储量，使电池容量快速衰减。而快速充放电会加剧锂离子在电极表面不均匀沉积，加剧生成枝晶和死锂的问题。另一方面，传统电解液由于较低的离子导，极大限制了电池快充性能。如表1所示，部分电解液的研究当中，虽然开发许多兼容高电压ncm811正极材料，促进li||ncm811电池稳定的循环的电解液，然而大部分循环倍率并不高，不能满足快速充电电池的需求。因此，想要实现锂金属电池快速充放电，需要制备与电极材料兼容性良好的且同时拥有较高离子导的新型电解液。

3、表1

4、

5、

6、针对以上问题，开发新型具有高离子导、与电极材料兼容性好的快充型锂金属电池电解液尤为关键。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液及其制备方法与应用。通过添加哌啶类离子液体，促进富阴离子溶剂化配位鞘形成，降低去溶剂化能垒，提升电解液离子导。同时含氮的n-烷基-n-甲基哌啶阳离子有机基团有助于形成富氮的稳定固态电解质间相层稳定电极界面，缓解锂金属负极副反应，有效提升电池的循环稳定性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液，包括锂盐和溶剂；

4、所述的锂盐为双氟磺酰亚胺锂或双三氟甲烷磺酰亚胺锂、硝酸锂和二氟磷酸锂的混合物，其中，以双氟磺酰亚胺锂或双三氟甲烷磺酰亚胺锂为主盐，终浓度为1-1.2mol/l，硝酸锂和二氟磷酸锂为添加剂盐，二者终浓度和为0-0.3mo l/l，最终锂盐混合物总终浓度和为1-1.5mol/l；

5、所述的溶剂为哌啶类离子液体与醚类溶剂的混合溶剂，体积比1:1-5。

6、进一步，优选的是，哌啶类离子液体为n-乙基-n-甲基哌啶四氟硼酸盐、n-丙基-n-甲基哌啶六氟磷酸盐、n-丙基-n-甲基哌啶碘盐、n-丙基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-丙基-n-甲基哌啶双(氟磺酰)亚胺盐、n-丁基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-丁基-n-甲基哌啶二腈胺盐、n-己基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-辛基-n-甲基哌啶双(三氟甲磺酰)亚胺盐和n-癸基-n-甲基哌啶双(三氟甲磺酰)亚胺盐中的至少一种。

7、进一步，优选的是，醚类溶剂为乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环和1,4-二氧六环中至少一种。

8、本发明同时提供一种快充锂金属电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，其特征在于，所述的电解液为所述的适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液。例如该快充锂金属电池为纽扣电池，则纽扣电池组装如图1所示。

9、进一步，优选的是，所述的正极材料为富镍正极材料。

10、进一步，优选的是，所述的正极材料为镍钴锰酸锂，其化学式为lini0.8co0.1mn0.1o2。

11、进一步，优选的是，所述的负极材料为锂金属片。

12、进一步，优选的是，所述的隔膜为celgard-2500。

13、本发明还提供上述适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液在制备快充锂金属电池的应用。

14、本发明在采用多种哌啶类离子液体时，离子液体之间没有比例限制，可以根据所需电解液性质进行调节，离子液体与醚类溶剂体积比在1:1-5即可。

15、本发明在采用多种醚类溶剂时，醚类溶剂之间没有比例限制，可以根据所需电解液性质进行调节，离子液体与醚类溶剂体积比在1:1-5即可。

16、本发明使用哌啶类离子液体添加剂改善醚类电解液的离子导，提升电池的倍率性能，同时促进富氮固态电解质间相的形成，稳定电极界面，提升电池循环稳定性。

17、本发明适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液的制备方法，包括如下步骤：

18、(1)将锂盐和离子液体分别于70-100℃条件下干燥至少10h，以控制其中的水含量；

19、(2)将分子筛置于马弗炉中350-500℃活化至少10h，然后加入到醚类溶剂中静置至少3天，以控制醚类溶剂中的水含量；

20、(3)按锂盐混合物总浓度为1-1.5mol/l，离子液体与醚类溶剂体积比1:1-5混合，搅拌至所有物料完全溶解后，即得到适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液。

21、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

22、(1)构建富阴离子溶剂化鞘结构，降低去溶剂化能垒，有效加快电池反应动力学，提升电解液离子导，实现电池快速充放电。

23、(2)形成富氮的固态电解质间相组分，能有效稳定电极材料界面，抑制锂金属表面枝晶生成，提升电池循环稳定性。

24、(3)本发明提出了一种锂电池用的醚基快充型电解液，制备方法简单，易于推广和应用。

25、(4)目前的研究通常聚焦于小电流密度下稳定长循环，如表1所示。本发明中快充电池能在10c倍率下稳定循环，容量没有明显衰减。换言之，本发明可在6min(10c)充满电，有效缓解续航焦虑。

技术特征：

1.适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液，其特征在于，包括锂盐和溶剂；

2.根据权利要求1所述的适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液，其特征在于，哌啶类离子液体为n-乙基-n-甲基哌啶四氟硼酸盐、n-丙基-n-甲基哌啶六氟磷酸盐、n-丙基-n-甲基哌啶碘盐、n-丙基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-丙基-n-甲基哌啶双(氟磺酰)亚胺盐、n-丁基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-丁基-n-甲基哌啶二腈胺盐、n-己基-n-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐、n-辛基-n-甲基哌啶双(三氟甲磺酰)亚胺盐和n-癸基-n-甲基哌啶双(三氟甲磺酰)亚胺盐中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液，其特征在于，醚类溶剂为乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、1,3-二氧戊环和1,4-二氧六环中至少一种。

4.一种快充锂金属电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，其特征在于，所述的电解液为权利要求1～3任意一项所述的适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液。

5.根据权利要求4所述的快充锂金属电池，其特征在于，所述的正极材料为富镍正极材料。

6.根据权利要求5所述的快充锂金属电池，其特征在于，所述的正极材料为镍钴锰酸锂，其化学式为lini0.8co0.1mn0.1o2。

7.根据权利要求4所述的快充锂金属电池，其特征在于，所述的负极材料为锂金属片。

8.根据权利要求4所述的快充锂金属电池，其特征在于，所述的隔膜为celgard-2500。

9.权利要求1～3任一项所述的适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液在制备快充锂金属电池的应用。

技术总结本发明涉及一种适用于快充型锂金属电池基于离子液体的醚基电解液及其制备方法与应用，属于锂金属电池技术领域。该电解液包括锂盐和溶剂；所述的锂盐为双氟磺酰亚胺锂或双三氟甲烷磺酰亚胺锂、硝酸锂和二氟磷酸锂的混合物，终浓度为1‑1.5mol/L；所述的溶剂为哌啶类离子液体与醚类溶剂的混合溶剂，体积比1:1‑5。本发明使用哌啶类离子液体添加剂对锂金属电池性能进行改善。通过哌啶类离子液体中阳离子基团促进形成含氮固态电解质间相以稳定电极界面，同时离子液体引入的阴离子基团促进形成富阴离子溶剂化鞘结构，降低充放电时锂离子去溶剂化能垒，加速去溶剂化过程，实现电池快充。技术研发人员：袁守怡,丁凯,沈云,钟明阳受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10