CN115986190A - 一种锂金属电池 - Google Patents
一种锂金属电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115986190A CN115986190A CN202310113330.0A CN202310113330A CN115986190A CN 115986190 A CN115986190 A CN 115986190A CN 202310113330 A CN202310113330 A CN 202310113330A CN 115986190 A CN115986190 A CN 115986190A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium
- electrolyte
- metal battery
- nitride
- carbonate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 106
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 79
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 46
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 39
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 150000002642 lithium compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 6
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 5
- JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N oxalonitrile Chemical compound N#CC#N JMANVNJQNLATNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 33
- -1 lithium hexafluorophosphate Chemical compound 0.000 claims description 19
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000001989 lithium alloy Substances 0.000 claims description 15
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229910000733 Li alloy Inorganic materials 0.000 claims description 12
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 7
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 claims description 7
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N Dimethoxyethane Chemical compound COCCOC XTHFKEDIFFGKHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxolane Chemical compound C1COCO1 WNXJIVFYUVYPPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 claims description 4
- KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N methyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OC KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WDXYVJKNSMILOQ-UHFFFAOYSA-N 1,3,2-dioxathiolane 2-oxide Chemical compound O=S1OCCO1 WDXYVJKNSMILOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 1,3-dioxol-2-one Chemical compound O=C1OC=CO1 VAYTZRYEBVHVLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- YBJCDTIWNDBNTM-UHFFFAOYSA-N 1-methylsulfonylethane Chemical compound CCS(C)(=O)=O YBJCDTIWNDBNTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound FC1COC(=O)O1 SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N Acrylonitrile Chemical compound C=CC#N NLHHRLWOUZZQLW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BDUPRNVPXOHWIL-UHFFFAOYSA-N dimethyl sulfite Chemical compound COS(=O)OC BDUPRNVPXOHWIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WRECIMRULFAWHA-UHFFFAOYSA-N trimethyl borate Chemical compound COB(OC)OC WRECIMRULFAWHA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WVLBCYQITXONBZ-UHFFFAOYSA-N trimethyl phosphate Chemical compound COP(=O)(OC)OC WVLBCYQITXONBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PARRGOBKOQZZMC-UHFFFAOYSA-N diethyl carbonate ethyl hydrogen carbonate Chemical compound CCOC(O)=O.CCOC(=O)OCC PARRGOBKOQZZMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DEUISMFZZMAAOJ-UHFFFAOYSA-N lithium dihydrogen borate oxalic acid Chemical compound B([O-])(O)O.C(C(=O)O)(=O)O.C(C(=O)O)(=O)O.[Li+] DEUISMFZZMAAOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 claims 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 claims 1
- VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(fluorosulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FS(=O)(=O)[N-]S(F)(=O)=O VDVLPSWVDYJFRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 abstract description 11
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 abstract description 3
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000012046 mixed solvent Substances 0.000 description 10
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 4
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910001148 Al-Li alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N [Li].[Al] Chemical compound [Li].[Al] JFBZPFYRPYOZCQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N lithium magnesium Chemical compound [Li].[Mg] GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N Dimethyl ether Chemical compound COC LCGLNKUTAGEVQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K aluminium trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl VSCWAEJMTAWNJL-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- PSCMQHVBLHHWTO-UHFFFAOYSA-K indium(iii) chloride Chemical compound Cl[In](Cl)Cl PSCMQHVBLHHWTO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015015 LiAsF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013063 LiBF 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N Magnesium ion Chemical compound [Mg+2] JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 1
- NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N Potassium ion Chemical compound [K+] NPYPAHLBTDXSSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N Zinc dication Chemical compound [Zn+2] PTFCDOFLOPIGGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- QBBWRNBMWSVXBB-UHFFFAOYSA-K aluminum;oxolane;trichloride Chemical compound Cl[Al](Cl)Cl.C1CCOC1 QBBWRNBMWSVXBB-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N dicyandiamide Chemical compound NC(N)=NC#N QGBSISYHAICWAH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- CKHJYUSOUQDYEN-UHFFFAOYSA-N gallium(3+) Chemical compound [Ga+3] CKHJYUSOUQDYEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001449 indium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- RBYFNZOIUUXJQD-UHFFFAOYSA-J tetralithium oxalate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[Li+].[O-]C(=O)C([O-])=O.[O-]C(=O)C([O-])=O RBYFNZOIUUXJQD-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本公开提供一种锂金属电池，所述锂金属电池包括：正极片、负极片和电解液；所述电解液包括锂化合物、溶剂以及掺杂有目标金属的氮化物，其中，所述目标金属包括镁，铝，钾，钙，锌，镓，铱，银，铟中的至少一种。在本公开实施例中，在电解液中加入掺杂有目标金属的氮化物，与锂金属电池的负极的相互反应形成混合导电界面，该混合导电界面兼具锂离子导通能力和电子导通能力，可用于抑制锂金属电池的负极的锂枝晶的生长，降低因锂枝晶生长导致的活性锂耗损和电解液耗损，延长锂金属电池的循环寿命。
Description
技术领域
本公开涉及电池技术领域，具体涉及一种锂金属电池。
背景技术
锂电池因其能量密度高、循环寿命长、适用温度范围大而被广泛应用。
目前，相关技术拟采用锂负极替代碳负极，以提升锂电池的能量密度，使用锂负极的锂电池被称为锂金属电池，应用中发现，锂金属电池的锂负极在使用时会出现金属锂沉积的问题，沉积的金属锂会突破锂负极表面的固体电解质界面相(solid electrolyteinterphase，SEI)膜与电解液接触，并形成新的SEI膜，新的SEI膜的形成会造成活性锂和电解液的耗损，这使得锂金属电池的循环寿命短。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种锂金属电池，用于解决现有的锂金属电池存在的循环寿命短的问题。
第一方面，本公开实施例提供一种锂金属电池，包括：
正极片、负极片和电解液；
所述电解液包括锂化合物、溶剂以及掺杂有目标金属的氮化物，其中，所述目标金属包括镁，铝，钾，钙，锌，镓，铱，银，铟中的至少一种。
可选的，所述目标金属在所述氮化物中的质量占比大于或等于0.0001％，且小于或等于1％。
可选的，所述氮化物的粒径大于或等于1纳米，且小于或等于1000纳米。
可选的，所述氮化物在所述电解液中的质量占比大于或等于0.001％，且小于或等于10％。
可选的，所述负极片包括：
金属锂负极片；
或者，
负极集流体；
或者，
负极集流体以及设置于所述负极集流体上的活性涂层，所述活性涂层包括金属锂和/或锂合金，所述锂合金包括所述目标金属。
可选的，所述氮化物包括氮化碳。
可选的，所述锂化合物包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂中的至少一种。
可选的，所述溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯碳酸乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯、二氧戊环、乙二醇二甲醚中的至少一种。
可选的，所述电解液还包括有机添加剂。
可选的，所述有机添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸乙烯酯、1，3-丙烯磺酸内酯、四氢呋喃、甲基乙基砜、亚硫酸二甲酯、磷酸三甲酯、丙烯腈、2-腈基呋喃、三甲氧基硼烷中的至少一种。
上述技术方案具有如下有点或有益效果：
在本公开实施例中，在电解液中加入掺杂有目标金属的氮化物，与锂金属电池的负极的相互反应形成混合导电界面，该混合导电界面兼具锂离子导通能力和电子导通能力，可用于抑制锂金属电池的负极的锂枝晶的生长，降低因锂枝晶生长导致的活性锂耗损和电解液耗损，延长锂金属电池的循环寿命。
附图说明
图1是本公开实施例提供的一种锂金属电池的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种氮化碳和铝掺杂氮化碳的XRD图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本公开实施例提供的一种锂金属电池，所述锂金属电池包括：
正极片10、负极片20和电解液；
所述电解液包括锂化合物、溶剂以及掺杂有目标金属的氮化物，其中，所述目标金属包括镁，铝，钾，钙，锌，镓，铱，银，铟中的至少一种。
在本公开实施例中，在电解液中加入掺杂有目标金属的氮化物，与锂金属电池的负极的相互反应形成混合导电界面，该混合导电界面兼具锂离子导通能力和电子导通能力，可用于抑制锂金属电池的负极的锂枝晶的生长，降低因锂枝晶生长导致的活性锂耗损和电解液耗损，延长锂金属电池的循环寿命。其中，锂枝晶为电池充电时锂离子在负极电沉积形成的的产物。
一方面来说，相较于仅具备锂离子导通能力的SEI膜来说，本公开所述的混合导电界面的拉伸模量更强，也即抵抗形变的能力更强，可降低锂枝晶突破混合导电界面的概率，进而降低新的混合导电界面的出现概率，避免活性锂和电解液的耗损，故而能延长锂金属电池的循环寿命。
另一方面来说，相较于仅具备锂离子导通能力的SEI膜来说，本公开所述的混合导电界面由于兼具锂离子导通能力和电子导通能力，因此，能平衡负极表面的电流密度，减缓负极的电流密度波动，降低负极表面金属锂沉积的概率，减缓锂枝晶的生长速率，故而也能延长锂金属电池的循环寿命。
在本公开中，掺杂有目标金属的氮化物可以为：所包括的含氮基团上配位有目标金属对应的金属离子的氮化物，上述目标金属对应的金属离子可以为：镁离子，铝离子，钾离子，钙离子，锌离子，镓离子，铱离子，银离子，铟离子中的至少一种。
需要指出的是，本公开所述锂金属电池在应用时，若前述混合导电界面破裂，仍可以通过包括掺杂有目标金属的氮化物的电解液，配合负极的锂离子快速形成新的混合导电界面，以修补破裂的混合导电界面，对突破原有的混合导电界面的锂枝晶进行限位，避免锂枝晶脱离负极的情况。
锂金属电池所包括正极片10和负极片20可以形成电芯，前述电解液浸润所述电芯，如图1所示，可以采取沿同一方向对正极片10和负极片20进行卷绕的方式形成；也可以所述电芯可以采取交错叠放正极片10和负极片20的方式形成，本公开对所述电芯的具体形成方式不作限定。
在一个实施例中，所述负极片20包括：
金属锂负极片；
或者，
负极集流体；
或者，
负极集流体以及设置于所述负极集流体上的活性涂层，所述活性涂层包括金属锂和/或锂合金，所述锂合金包括所述目标金属。
在本实施例中，锂金属电池的负极片20可以为金属锂或锂单质。
在本实施例中，锂金属电池的负极片20也可以为负极集流体，举例来说，所述负极集流体可以为铜箔。
在本实施例中，负极片20还可以由负极集流体和负极集流体表面设置的活性涂层共同构成，在此情况下，设置于负极集流体表面的活性涂层包括金属锂和锂合金中的至少一种，其中，所述锂合金包括所述目标金属可理解为，锂元素和镁，铝，钾，钙，锌，镓，铱，银，铟中的至少一种元素形成的合金，例如：铝锂合金、镁锂合金等。
通过上述设置，使得本公开所述锂金属电池的负极片20的制备更加灵活，这能增强本公开所述锂金属电池在复杂场景下的适用性。
在一个实施例中，所述目标金属在所述氮化物中的质量占比大于或等于0.0001％，且小于或等于1％。
该实施例中，限定目标金属在所述氮化物中的质量占比大于或等于0.0001％，令本公开所述锂金属电池中包覆负极的混合导电界面得以维持，避免混合导电界面无法形成，或者，混合导电界面的形成面积过小(即无法包覆负极的全部区域)，或者，混合导电界面在破裂后无法恢复的情况，确保本公开所述锂金属电池的循环寿命的延长。
限定目标金属在所述氮化物中的质量占比小于或等于1％，可减少本公开所述锂金属电池中包覆负极的混合导电界面消耗的锂离子质量，避免混合导电界面消耗过多锂离子，提升本公开所述锂金属电池的电池首效，进而保障本公开所述锂金属电池的循环寿命的延长。
该实施例中，目标金属在所述氮化物中的质量占比可以为：目标金属对应的金属离子在所述氮化物中的配位量与所述氮化物重质量之比。
在一个实施例中，所述氮化物的粒径大于或等于1纳米，且小于或等于1000纳米。
该实施例中，掺杂有目标金属的氮化物可以通过颗粒的形式悬浮于前述电解液中。
通过限定悬浮于电解液中的氮化物的粒径小于或等于1000纳米，使氮化物在电解液中的分布更加广泛，令电解液与锂负极之间的反应速率得到提升，加快前述混合导电界面的生成速率；氮化物的粒径越小，氮化物的制备成本越高，通过限定悬浮于电解液中的氮化物的粒径大于或等于1纳米，可降低电解液中的氮化物的制备成本，进而降低锂金属电池的制备成本。
优选的，所述氮化物的粒径可以大于或等于10纳米，且小于或等于100纳米。
在一个实施例中，所述氮化物在所述电解液中的质量占比大于或等于0.001％，且小于或等于10％。
该实施例中，通过限定氮化物在电解液中的质量占比大于或等于0.001％，以配合前述实施例中对所述目标金属在所述氮化物中的质量占比限定，确保本公开所述锂金属电池中形成的混合导电界面能具备电子导通能力；而限定氮化物在电解液中的质量占比小于或等于10％，是为了减少本公开所述锂金属电池中包覆负极的混合导电界面消耗的锂离子质量，避免混合导电界面消耗过多锂离子的，提升本公开所述锂金属电池的电池首效，进而保障本公开所述锂金属电池的循环寿命的延长。
优选的，所述氮化物在所述电解液中的质量占比大于或等于0.01％，且小于或等于5％。
在一个实施例中，所述氮化物包括氮化碳(C3N4)。
需要指出的是，在本公开中，所述氮化物除了为氮化碳外，还可以为包括有目标基团的其他氮化物，其中，所述目标基团为可配位前述目标金属对应的金属离子的含氮基团。
在一个实施例中，所述锂化合物包括六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)中至少一种，应用中，所述锂化合物也称锂盐。
在一个实施例中，所述溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)，碳酸丙烯酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸二乙酯碳酸乙酯(DEC)，碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸甲丙酯(MPC)，二氧戊环(DOL)，乙二醇二甲醚(DME)中的至少一种。
在一个实施例中，所述电解液还包括有机添加剂。
该实施例中，通过在电解液中增设有机添加剂的方式，令前述混合导电界面的韧性得到提升，也即令前述混合导电界面的拉伸模量得到增强。
进一步的，所述有机添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸乙烯酯、1，3-丙烯磺酸内酯、四氢呋喃、甲基乙基砜、亚硫酸二甲酯、磷酸三甲酯、丙烯腈、2-腈基呋喃、三甲氧基硼烷中的至少一种。
为方便理解，示例说明如下：
设定铝掺杂氮化碳可以通过如下步骤制备得到：
步骤S101、将10克三聚氰胺置于坩埚中，在马弗炉中加热至550℃，保温3小时，然后冷却至室温，获得氮化碳颗粒。
步骤S102、将0.5克的氮化碳颗粒加入到80毫升的6M的盐酸溶液中，搅拌均匀，然后转移至100毫升的高压反应釜中，在110度温度下反应12小时，冷却至室温，之后用去离子水清洗至中性，干燥后获得氮化碳纳米片。
步骤S103、将0.3克的氮化碳纳米片加入到100毫升的四氢呋喃溶液中，超声30分钟。将0.03克的三氯化铝加入到30毫升四氢呋喃中，搅拌6小时使得三氯化铝完全溶解。将氮化碳-四氢呋喃悬浮液和三氯化铝-四氢呋喃溶液混合，室温搅拌12小时，让二者充分反应；之后离心分离产物，并用四氢呋喃清洗，干燥获得铝掺杂氮化碳。
如图2所示，分别获取氮化碳纳米片和根据S101-S103制备的铝掺杂氮化碳的X射线衍射(Diffractionofx－rays，XRD)图，其中，氮化碳纳米片的XRD图显示氮化碳在10-30度之间出现衍射峰，而铝掺杂氮化碳的XRD图显示铝掺杂氮化碳在30-60度之间出现衍射峰，由此可见，铝掺杂到了氮化碳中。
设定铟掺杂氮化碳可以通过如下步骤制备得到：
S201、0.5克双氰胺和50微摩尔的三氯化铟加入到20毫升去离子水中，常温搅拌2小时，然后45度加热至水分完全挥发，收集剩余的粉末。
S202、将收集得到的粉末在氩气环境中，500摄氏度加热2小时，然后冷却。
S203、冷却后的粉末，乙醇和水清洗，得到铟掺杂的氮化碳。
示例1：
设定对照组1-1的电解液中的锂化合物为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯构成的混合溶剂，且混合溶剂中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的质量比为1：1：1。
设定对照组1-2中的电解液在对照组1-1的电解液成分的基础上，加入了氮化碳，且所加入的氮化碳在对照组1-2中的电解液的质量分数为0.1％。
设定实验组1中的电解液在对照组1-1的电解液成分的基础上，加入了铝掺杂氮化碳，且所加入的铝掺杂氮化碳在实验组1中的电解液的质量分数为0.1％。
对照组1-1、对照组1-2以及实验组1的电池正极均为钴酸锂，正极面密度为12mg/cm2，负极为50微米厚度的金属锂，隔膜为PE膜，电解液注入量为50毫升。
在电压范围4.3V-2.5V、电流1C的条件下进行电池循环测试，测试结果如
表1所示：
表1
如表1所示，在电解液中加入掺杂目标金属的氮化物，以形成兼具锂离子导通能力和电子导通能力的混合导电界面，可显著提升锂金属电池的循环性能。
示例2：
设定对照组2-1的电解液中的锂化合物为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯构成的混合溶剂，且混合溶剂中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的质量比为1：1：1。
设定对照组2-2中的电解液在对照组2-1的电解液成分的基础上，加入了氮化碳，且所加入的氮化碳在对照组2-2中的电解液的质量分数为0.1％。
设定实验组2中的电解液在对照组2-1的电解液成分的基础上，加入了铝掺杂氮化碳，且所加入的铝掺杂氮化碳在实验组2中的电解液的质量分数为0.1％。
对照组2-1、对照组2-2以及实验组2的电池正极均为钴酸锂，正极面密度为12mg/cm2，负极为50微米厚度的铝锂合金(铝锂合金中铝的质量分数为0.8％)，隔膜为PE膜，电解液注入量为50毫升。
在电压范围4.3V-2.5V、电流1C的条件下进行电池循环测试，测试结果如
表2所示：
表2
如表2所示，在电解液中加入掺杂目标金属的氮化物，以形成兼具锂离子导通能力和电子导通能力的混合导电界面，可显著提升锂金属电池的循环性能。并且，通过比较表1和表2数据可知，相较于应用金属锂作为负极片的方案来说，应用包括有目标金属的锂合金作为负极片20可进一步提升锂金属电池的循环性能。
示例3：
设定对照组3-1的电解液中的锂化合物为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯构成的混合溶剂，且混合溶剂中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的质量比为1：1：1。
设定对照组3-2中的电解液在对照组3-1的电解液成分的基础上，加入了氮化碳，且所加入的氮化碳在对照组3-2中的电解液的质量分数为0.1％。
设定实验组3中的电解液在对照组3-1的电解液成分的基础上，加入了铝掺杂氮化碳，且所加入的铝掺杂氮化碳在实验组3中的电解液的质量分数为0.1％。
对照组3-1、对照组3-2以及实验组3的电池正极均为钴酸锂，正极面密度为12mg/cm2，负极为10微米厚度的铜箔，隔膜为PE膜，电解液注入量为50毫升。
在电压范围4.3V-2.5V、电流1C的条件下进行电池循环测试，测试结果如
表3所示：
表3
如表3所示，在电解液中加入掺杂目标金属的氮化物，以形成兼具锂离子导通能力和电子导通能力的混合导电界面，可显著提升锂金属电池的循环性能。
示例4：
设定对照组4-1的电解液中的锂化合物为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯构成的混合溶剂，且混合溶剂中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的质量比为1：1：1。
设定对照组4-2中的电解液在对照组4-1的电解液成分的基础上，加入了氮化碳，且所加入的氮化碳在对照组4-2中的电解液的质量分数为0.1％。
设定实验组4中的电解液在对照组4-1的电解液成分的基础上，加入了铟掺杂氮化碳，且所加入的铟掺杂氮化碳在实验组4中的电解液的质量分数为0.1％。
对照组4-1、对照组4-2以及实验组4的电池正极均为钴酸锂，正极面密度为12mg/cm2，负极为50微米厚度的金属锂，隔膜为PE膜，电解液注入量为50毫升。
在电压范围4.3V-2.5V、电流1C的条件下进行电池循环测试，测试结果如
表4所示：
表4
如表4所示，在电解液中加入掺杂目标金属的氮化物，以形成兼具锂离子导通能力和电子导通能力的混合导电界面，可显著提升锂金属电池的循环性能。
示例5：
设定对照组5-1的电解液中的锂化合物为六氟磷酸锂，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯构成的混合溶剂，且混合溶剂中碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的质量比为1：1：1。
设定对照组5-2中的电解液在对照组5-1的电解液成分的基础上，加入了氮化碳，且所加入的氮化碳在对照组5-2中的电解液的质量分数为0.1％。
设定实验组5中的电解液在对照组5-1的电解液成分的基础上，加入了铟掺杂氮化碳，且所加入的铟掺杂氮化碳在实验组5中的电解液的质量分数为0.1％。
对照组5-1、对照组5-2以及实验组5的电池正极均为钴酸锂，正极面密度为12mg/cm2，负极为50微米厚度的镁锂合金(镁锂合金中镁的质量分数为0.5％)，隔膜为PE膜，电解液注入量为50毫升。
在电压范围4.3V-2.5V、电流1C的条件下进行电池循环测试，测试结果如
表5所示：
表5
如表5所示，在电解液中加入掺杂目标金属的氮化物，以形成兼具锂离子导通能力和电子导通能力的混合导电界面，可显著提升锂金属电池的循环性能。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (10)
1.一种锂金属电池，其特征在于，包括：
正极片、负极片和电解液；
所述电解液包括锂化合物、溶剂以及掺杂有目标金属的氮化物，其中，所述目标金属包括镁，铝，钾，钙，锌，镓，铱，银，铟中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述目标金属在所述氮化物中的质量占比大于或等于0.0001％，且小于或等于1％。
3.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述氮化物的粒径大于或等于1纳米，且小于或等于1000纳米。
4.根据权利要求2所述的锂金属电池，其特征在于，所述氮化物在所述电解液中的质量占比大于或等于0.001％，且小于或等于10％。
5.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述负极片包括：
金属锂负极片；
或者，
负极集流体；
或者，
负极集流体以及设置于所述负极集流体上的活性涂层，所述活性涂层包括金属锂和/或锂合金，所述锂合金包括所述目标金属。
6.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述氮化物包括氮化碳。
7.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述锂化合物包括锂盐，所述锂盐包括六氟磷酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、四氟硼酸锂、二草酸硼酸锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、双氟磺酰亚胺锂、二氟草酸硼酸锂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯碳酸乙酯、碳酸甲乙酯和碳酸甲丙酯、二氧戊环、乙二醇二甲醚中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的锂金属电池，其特征在于，所述电解液还包括有机添加剂。
10.根据权利要求9所述的锂金属电池，其特征在于，所述有机添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸乙烯酯、1，3-丙烯磺酸内酯、四氢呋喃、甲基乙基砜、亚硫酸二甲酯、磷酸三甲酯、丙烯腈、2-腈基呋喃、三甲氧基硼烷中的至少一种。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310113330.0A CN115986190A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种锂金属电池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310113330.0A CN115986190A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种锂金属电池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115986190A true CN115986190A (zh) | 2023-04-18 |
Family
ID=85974398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310113330.0A Pending CN115986190A (zh) | 2023-02-13 | 2023-02-13 | 一种锂金属电池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115986190A (zh) |
-
2023
- 2023-02-13 CN CN202310113330.0A patent/CN115986190A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110797524B (zh) | 二次电池用多元锂镁合金负极材料及其适配电解液 | |
| KR101147239B1 (ko) | 리튬 이차 전지의 양극 보호막용 조성물, 상기 양극 보호막을 포함하는 리튬 이차 전지 및 그 제조 방법 | |
| JP2007123242A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
| Li et al. | Electrolyte additives: Adding the stability of lithium metal anodes | |
| KR20140038979A (ko) | 비수 전해액 및 리튬 이온 전지 | |
| CN105789688B (zh) | 电解液、及锂离子二次电池 | |
| CN112151861B (zh) | 一种电池负极表面保护组合物及其电解液和应用 | |
| CN109888182A (zh) | 一种原位保护的碱金属电极、制备方法及应用 | |
| CN109638255B (zh) | 一种碱金属负极表面原位处理方法及其应用 | |
| KR101212204B1 (ko) | 리튬 이차 전지의 양극용 조성물 및 상기 양극을 포함하는 이차 전지 | |
| Xu et al. | Enhanced cycleability and dendrite-free lithium deposition by addition of sodium ion in electrolyte for lithium metal batteries | |
| WO2015030190A1 (ja) | 蓄電デバイス用非水電解液 | |
| WO2021023131A1 (zh) | 电解液、锂离子电池及装置 | |
| CN113851622A (zh) | 一种电池体系的保护层及电化学装置 | |
| CN102055011A (zh) | 一种锂离子二次电池及其制造方法 | |
| CN110380003B (zh) | 一种锂电池负极及其制备方法、锂电池 | |
| CN102738503A (zh) | 一种锂离子电池及其正极极片 | |
| WO2023159798A1 (zh) | 应用于碱金属电池的电解液及其碱金属电池 | |
| Zhao et al. | Constructing porous nanosphere structure current collector by nitriding for lithium metal batteries | |
| CN114824270A (zh) | 一种锂金属负极及锂金属电池 | |
| Xu et al. | Compatibility of lithium oxalyldifluoroborate with lithium metal anode in rechargeable batteries | |
| CN111224068A (zh) | 一种用于锂电池的金属锂负极和锂电池 | |
| CN111740162A (zh) | 电解液和包括电解液的电化学装置及电子装置 | |
| CN115986190A (zh) | 一种锂金属电池 | |
| JP2005026091A (ja) | 非水電解質電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |