CN114927759A - 一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为七氟丁酰氯，其浓度为0.5wt％‑2wt％，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯与所述链状碳酸酯的体积比为(1‑9)：(1:9)，所述锂盐浓度为0.8‑1.2M。本发明采用上述一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池，向碳酸盐电解液中引入七氟丁酰氯作为电解液添加剂，极大的抑制了锂金属负极中锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的电化学稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池。
背景技术
在所有类型的商用可充电电池中，具有长循环寿命的锂离子电池(LIBs)是电动汽车的“超级巨星”。但是最先进的LIBs只能达到约250Wh kg-1的比能量密度，这成为由石墨基阳极和富钴过渡金属氧化物基阴极组成的LIBs的瓶颈。基于这一挑战，开发具有高能阴极和阳极材料的电池有望进一步提高可充电电池的能量密度。
在新兴的电池技术中，一些锂基电池之外的可充电电池代表着有前途的下一代高能可充电电池。与LIBs中的其他阳极材料(石墨、锂钛氧化物、硅、锡和锗)相比，锂金属的容量很高(3860mAh g-1)和还原电位(-3.04Vvs.SHE)较低、极高电子/离子电导率以及与其他阳极相当的单位能量成本，被誉为“圣杯”电极，受到了广泛的关注。更重要的是，由于锂金属阳极中锂源的存在，锂金属是唯一能与高能S和O2基阴极耦合的阳极。这些优点使锂金属电池(LMBs)成为一种很有前途的高能量密度储能器件。
然而，LMBs的实际应用需要克服一些问题，LMBs中不稳定的界面直接决定了锂枝晶的生长、“死锂”和低库仑效率，导致LMBs的电化学性能较差，甚至存在安全问题。因此，有必要进行深入的研究去解决这些问题，加速高能量密度LMBs的实际应用。随着科技的迅速发展，对界面化学和锂枝晶形成/生长机制的基本认识已经获得，促进了对高能、安全和稳定的LMBs的研究。在过去的十年里，人们付出了大量的努力致力于开发安全稳定的锂金属阳极的有效策略。为了提高金属锂阳极的界面稳定性，主要可以从改进电解液方面进行考虑。
发明内容
本发明的目的是提供一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池，向碳酸盐电解液中引入七氟丁酰氯作为电解液添加剂，极大的抑制了锂金属负极中锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的电化学稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为七氟丁酰氯，其浓度为0.5wt％-2wt％，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯与所述链状碳酸酯的体积比为(1-9)：(1:9)，所述锂盐浓度为0.8-1.2M。
优选的，所述锂盐为LiClO4、LiBF4、LiAsF6及LiPF6中的一种或多种的组合。
优选的，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或碳酸丁烯酯的一种或多种的组合。
优选的，所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或者多种的组合。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液，所述电解液包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为七氟丁酰氯，其浓度为0.5wt％-2wt％，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯与所述链状碳酸酯的体积比为(1-9)：(1:9)，所述锂盐浓度为0.8-1.2M，所述锂盐为LiClO4、LiBF4、LiAsF6及LiPF6中的一种或多种的组合，所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或碳酸丁烯酯的一种或多种的组合，所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或者多种的组合。
优选的，所述锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为0.8-1.2M的锂盐与环状碳酸酯及链状碳酸酯的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；对于全电池，隔膜两侧分别为NCM811正极和锂箔，电池的电解液为30μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征。
因此，本发明采用上述一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池，向碳酸盐电解液中引入七氟丁酰氯作为电解液添加剂，极大的抑制了锂金属负极中锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的电化学稳定性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为空白电解液(EC:DMC＝1:1)的Li||Li对称电池循环性能；
图2为空白电解液(EC:DMC＝1:9)的Li||Li对称电池循环性能；
图3为空白电解液(EC:DMC＝9:1)的Li||Li对称电池循环性能；
图4为在空白电解液(EC:DMC＝1:1)中添加了0.5％的七氟丁酰氯的Li||Li对称电池循环性能；
图5为在空白电解液(EC:DMC＝1:1)中添加了1％的七氟丁酰氯的Li||Li对称电池循环性能；
图6为在空白电解液(EC:DMC＝1:1)中添加了2％的七氟丁酰氯的Li||Li对称电池循环性能。
具体实施方式
本发明提供了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为七氟丁酰氯，其浓度为0.5wt％-2wt％，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯与所述链状碳酸酯的体积比为(1-9)：(1:9)，所述锂盐浓度为0.8-1.2M。所述锂盐为LiClO4、LiBF4、LiAsF6及LiPF6中的一种或多种的组合。所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或碳酸丁烯酯的一种或多种的组合。所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或者多种的组合。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为0.8-1.2M的锂盐与环状碳酸酯及链状碳酸酯的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；对于全电池，隔膜两侧分别为NCM811正极和锂箔，电池的电解液为30μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试。
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
首先通过配置不同溶剂比例(1：1，9：1，1：9)的电解液，装备相应的电池来确认最好溶剂比例的电解液。其次不同改性电解液的电池测试循环性能来探究最合适比例的添加剂。然后利用一定的表征技术来探究添加剂对电池性能影响的具体机理。
实施例1
本发明提供了一种电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为1:1。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，得到了备用电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图1所示。
实施例2
本发明提供了一种电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为1:9。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，得到了备用电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图2所示。
实施例3
本发明提供了一种电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为9:1。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，得到了备用电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图3所示。
实施例4
本发明提供了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为1:1，添加剂七氟丁酰氯的浓度为0.5wt％。
EC的分子结构式为：
DMC的分子结构式为：
七氟丁酰氯的分子结构式为：
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图4所示。
实施例5
本发明提供了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为1:1，添加剂七氟丁酰氯的浓度为1wt％。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图5所示。
实施例6
本发明提供了一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，包括1M的LiPF6、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)，两者的体积比为1:1，添加剂七氟丁酰氯的浓度为2wt％。
一种锂离子电池，包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料、隔膜和电解液。
锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为1M的LiPF6与EC及DMC的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征：利用Neware电池测试系统完成了Li‖Li对称电池的循环性能测试，如图6所示。
SEI由液体电解液的分解产物组成，因此电解液的组成和含量决定了SEI层的性质。稳定和坚固的SEI层也有助于均匀的锂沉积并减缓锂枝晶的产生。添加剂七氟丁酰氯的引入提供了更多的含氟组分以形成SEI层，从而在锂阳极表面形成一层稳定的富含LiF的SEI，避免了锂枝晶生成。当把改性电解液用作对称电池进行测试时，我们发现添加剂能够提升对称电池的循环稳定性，这归因于添加剂能够在正极表面生成一层稳定的CEI层，从而能够稳定循环过程中正极材料的结构。
因此，本发明采用上述一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液及其锂离子电池，向碳酸盐电解液中引入七氟丁酰氯作为电解液添加剂，极大的抑制了锂金属负极中锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的电化学稳定性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，其特征在于：
包括锂盐、非水有机溶剂和添加剂，所述添加剂为七氟丁酰氯，其浓度为0.5wt％-2wt％，所述非水有机溶剂为环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合物，所述环状碳酸酯与所述链状碳酸酯的体积比为(1-9)：(1:9)，所述锂盐浓度为0.8-1.2M。
2.根据权利要求1所述的一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，其特征在于：所述锂盐为LiClO4、LiBF4、LiAsF6及LiPF6中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，其特征在于：所述环状碳酸酯为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯或碳酸丁烯酯的一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种七氟丁酰氯作为添加剂的电解液，其特征在于：所述链状碳酸酯为碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的一种或者多种的组合。
5.一种锂离子电池，其特征在于：包括电池正极外壳、电池负极外壳、正极材料、负极材料和隔膜，其特征在于：包括如权利要求1-4任一项所述的电解液。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池的制备方法包括以下步骤：
S1、电解液的配置：制备空白电解液为0.8-1.2M的锂盐与环状碳酸酯及链状碳酸酯的混合溶液，通过向上述空白电解液中添加了七氟丁酰氯得到了改性电解液；
S2、锂离子电池的组装：对于Li‖Li电池，隔膜两侧电极都为锂箔，电池的电解液为60μL；对于全电池，隔膜两侧分别为NCM811正极和锂箔，电池的电解液为30μL；
S3、对上述锂离子电池进行表征。
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