[发明专利]一种金属氮化物的应用，包含金属氮化物的电解液及其在二次电池中的应用

说明书

本发明公开了一种金属锂和金属钠二次电池电解液添加剂及其应用。本发明的电解液添加剂包括一种或者多种金属氮化物。其能够有效抑制金属锂或钠在充电过程锂枝晶生长。本发的操作简单，通过在电解液中添加金属氮化物，制成相应的电解质溶液；电池充放电过程中，电解液中氮化物与金属锂片或钠片发生化学反应，生成相应的金属和氮化锂或氮化钠，在金属锂表面形成原位的SEI膜，能有效避免锂枝晶产生，从而提高锂金属负极的充放电库伦效率及循环寿命。

技术领域

本发明属于二次电池材料领域，具体涉及一种抑制锂枝晶的电解液添加剂。

背景技术

金属锂在应用前景上，非常广阔，特别是其高的理论比容量(3860mAh/g)、最低的电极电位(-3.040V vs.SHE)以及低的密度(0.53g/cm³)，在电池材料中更有着显著的优势。但是在应用过程中，其枝晶的生长一直是无法避免的。在充电过程中，锂离子被还原为金属锂，由于还原过程中，反应受到极片表面细微差异的影响，出现金属锂不均匀的沉积，当不均匀的沉积不断积累变为了锂枝晶，锂枝晶的不断生长，导致电池内部隔膜被刺穿，造成电池的短路，引发电池起火等危险。

金属钠负极同样有高的理论比容量(1165mAh/g)、低的电极电位(-2.714Vvs.SHE)。与金属锂相似同样，在充放电过程中金属表面的出现不均匀的沉积，长期的积累下，导致了枝晶的形成，对电池造成不可挽回的破坏。

所以能够保证稳定的负极材料，是当前金属锂负极和金属钠负极应用最关键的技术所在。目前报道的技术手段中，主要有：采用3D集流体用来降低电流密度从而减少锂枝晶的生长、或者采用固态电解质用以阻隔锂枝晶的生长、或者以电解液改性用以形成有效的SEI膜来抑制锂枝晶生长。

目前技术成熟的电解液如：碳酸酯类和醚类溶剂及其对应的锂盐，在金属锂的保护上都没有显著的效果，且都存在稳定性差，库伦效率低，循环圈数少等问题。

发明内容

基于现有基础存在的问题，本发明第一目的在于，提供了一种金属氮化物的应用，旨在将其添加至电解液中，用于抑制金属锂负极和金属钠负极表面枝晶形成。

本发明第二目的在于，提供一种包含金属氮化物的电解液。

本发明第三目的在于，利用所述的包含包含金属氮化物的电解液，组装得到的金属二次电池。

一种金属氮化物的应用，作为成膜添加剂，添加至电解液中，用于制得锂二次电池或钠二次电池；

其中，所述的锂二次电池的负极至少包含锂单质；所述的钠二次电池的负极至少包含钠单质。

本发明主要立足于改进电池电解液成分，通过在电解液中补充添加剂，原位生成稳定的SEI膜，有助于有效抑制锂枝晶生长。

作为优选，所述的应用，所述的金属氮化物为Mg，A1，Ti，Ta，Ca，Zn， Cu，Ag，Ni，Sc中的至少一种金属的氮化物。

所述的金属氮化物的化学通式为：A_xN_y，其中，A为金属，可选金属有： Mg，A1，Ti，Ta，Ca，Zn，Cu，Ag，Ni，Sc等；N为氮元素；x，y为自然数，数值是由金属元素化合价确定，如：Mg₃N₂.

作为优选，所述的金属氮化物的应用，将其作为成膜添加剂，用于抑制锂二次电池或钠二次电池的负极的对应的锂枝晶或钠枝晶；进而提升二次电池的循环过程库伦效率和延长循环圈数。

本发明所述的添加剂通过电池内部的化学反应，原位生成SEI膜和由金属氮化物反应转化得到的金属单质。其中，SEI膜能有效阻止锂枝晶的生长，金属单质诱导金属锂稳定均匀沉积。

以金属氮化物为Mg₃N₂，负极为金属锂单质为例，其化学反应过程为如下：