[发明专利]一种适用于硅基负极锂离子电池的高浓度锂盐电解液

说明书

一种适用于硅基负极锂离子电池的高浓度锂盐电解液，包括锂盐和非水有机溶剂，所述锂盐的摩尔浓度为2.15‑4.00mol/L。本发明的电解液电化学稳定性高、在负极表面可以生成由锂盐阴离子衍生的致密SEI膜，抑制硅基负极材料表面SEI膜的不断形成，提高硅基负极与电解液界面的稳定性，从而降低硅基负极在循环过程中的容量损失，提高硅基负极的库伦效率和循环性能。

技术领域

本发明涉及一种适用于硅基负极锂离子电池的高浓度电解液，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

环境污染和能源危机使得绿色能源技术得到迅猛发展，锂离子电池以能量密度高、工作电压高、循环寿命长、环境污染小等优势成功并广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑等各类小型便携式装置中，并有进一步作为动力和储能电源取代传统镍镉和铅酸等电池的趋势，已成为当今世界极具发展潜力的新型绿色高能化学电源。近年来人们开始广泛研发锂离子电池在电动汽车方面的应用，对锂离子电池提出了更高的要求。

当前，纯电动汽车大规模产业化所面临的第一大障碍，就是“里程焦虑”的问题。对于纯电动汽车而言，其续航里程是由动力电池系统所能够释放出来的电能决定的，因此动力系统的能量密度就成了制约电动车续航里程的决定性因素。对于锂离子电池而言，其理论能量密度由正负极材料比容量和工作电压决定。提高锂离子电池的能量密度有两个途径：提高电池工作电压或者提高正负极材料的比容量。

锂离子电池商用负极材料石墨类，其中包括天然石墨、人工石墨、中间相碳微球，以及近来备受关注的软碳、硬碳材料等，目前的能量密度为100-120Wh/Kg，难以满足高里程电动汽车的需求，而欲将锂离子电池动力汽车达到目前具有实际推广意义的300km以上续航里程，其电池的能量密度需要达到200-250Wh/kg。硅基负极材料相对于传统石墨材料质量比容量提高了十余倍，因此硅基负极材料的研究受到了科研工作者的广泛关注。

然而硅基负极材料还面临着几个限制其商业化应用的重要问题，如电子导电性和离子导电性差、储锂过程中伴随着巨大的体积变化以及与电解液的界面不稳定等。其中硅基负极与电解液界面不稳定是造成硅基负极库伦效率偏低、容量持续损失的一个重要原因。造成硅负极与电解液的界面不稳定的原因主要有两点，一是Si材料表面存在少量SiO₂，常规电解液中LiPF₆不稳定，与痕量的H₂O反应生成HF，HF侵蚀SiO₂，进而影响SEI膜的稳定性；二是Si材料表面形成的钝化膜不能适应Si材料在脱嵌锂过程中的巨大体积变化，而且硅基负极材料在循环过程中由于体积变化导致的裂纹，使新鲜的Si表面暴露在电解液中，将会持续产生钝化膜，持续消耗活性锂，导致容量损失。为了降低硅基负极材料在循环过程中的容量损失，需要开发适用于硅基负极的电解液。

根据以上分析，在保证离子传输能力的前提下，适用于Si电极的电解液还需满足几点要求：(1)降低HF含量；(2)提高电解液的还原稳定性，从而抑制SEI膜的不断生成；(3)提高SEI膜的稳定性。

据调查，近几年已有二十余项中国发明专利和多篇文献力图开发适用于硅基负极的电解液。其采用的方法大致可以分为三种类型，然而各存在一定的缺陷：(1)在常规电解液(六氟磷酸锂(LiPF₆)的有机碳酸酯稀溶液(～1.0M))的基础上添加功能性添加剂，如CN102479973A、CN 103413969A和CN 103594730A等中公开的电解液，添加剂的特点是针对性强、用量小，但是提升幅度有限；(2)采用凝胶电解质，如CN 104868165A和CN 105845978A等中公开的电解质，适用于柔性电池，可调节体积变化产生的应力，但对硅材料形态要求较高、离子电导率低；(3)直接采用或添加室温离子液体，如CN 102881951A等中公开的电解液，其循环性能远高于常规电解液，只是由于室温离子液体的粘度大、阻抗较高导致其初始容量较低、倍率性能差。

发明内容