[发明专利]锂金属电池用电解质和包含其的锂金属电池

说明书

本发明涉及锂金属电池用电解质和包含所述电解质的锂金属电池，更具体地涉及包含锂盐、有机溶剂和添加剂的锂金属电池用电解质，其中所述添加剂包含在其一端的能够与锂金属键合的官能团和在另一端的氟代烃基。所述锂金属电池用电解质包含含有特定官能团的添加剂以改善锂金属的稳定性并抑制表面处的副反应，从而使所述锂金属电池能够具有高容量、高稳定性和长寿命。

技术领域

本申请要求2017年10月17日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2017-0134320和2018年10月5日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2018-0118569的权益，其公开内容通过引用整体并入本文中。

本发明涉及锂金属电池用电解质和包含其的锂金属电池。

背景技术

随着电气、电子、通信和计算机工业的快速发展，对具有高性能和高稳定性的二次电池的需求迅速增加。特别是，根据电池和电子产品的轻量化、薄型化、小型化和便携性的趋势，还要求作为核心部件的二次电池的轻量化和小型化。此外，由于对于由环境污染问题和油耗引起的对新型能源供应源的需求，对开发能够解决这种需求的电动车辆的需求日益增加。在二次电池之中，具有长循环寿命、重量轻且显示出高能量密度和工作电位的锂二次电池近来备受关注。

锂二次电池具有其中将包含正极、负极和设置在正极与负极之间的隔膜的电极组件层压或卷绕的结构，并且通过将所述电极组件嵌入电池壳中并且将非水电解液注入其内部而构成锂二次电池。在这种情况下，锂二次电池的容量根据电极活性材料的类型而不同，并且不能通过与理论容量一样多的足够容量确保实际驱动时的容量，因此这样的电池尚未商业化。

为了获得具有高容量的锂二次电池，将通过与锂发生合金化反应而具有高储存容量特性的金属材料如硅(4200mAh/g)和锡(990mAh/g)用作负极活性材料。然而，当将诸如硅和锡的金属用作负极活性材料时，在与锂进行合金化的充电过程中体积膨胀至约4倍，并且在放电过程中收缩。由于在充电/放电过程中重复发生电极的大的体积变化，因此活性材料逐渐微粉化并从电极上脱落，因此容量迅速减小，从而难以确保稳定性和可靠性，且由此导致商业化失败。

由于与上述负极活性材料相比，锂金属具有3860mAh/g的优异理论容量和-3.045V的相对于标准氢电极(SHE)的低电位，由此能够获得具有高容量和高能量密度的电池，所以关于使用锂金属作为锂二次电池的负极活性材料的锂金属电池(LMB)的研究很多。

然而，在锂金属电池的情况下，锂金属由于其高化学/电化学反应性而易于与电解质、杂质和锂盐反应，并且在电极表面上形成固态电解质中间相(SEI)，并且这样的固态电解质中间相引起局部电流密度差，从而在锂金属的表面上形成枝晶。锂枝晶不仅缩短锂二次电池的寿命，而且还引起电池中的短路和死锂，从而增加锂二次电池的物理和化学不稳定性、减小电池的容量、缩短循环寿命、并且不利地影响电池的稳定性。此外，固体电解质中间相是热不稳定的，使得可以连续进行电池的充电/放电过程，或者尤其是在以满电状态高温储存期间固体电解质中间相可以因增加的电化学能和热能而逐渐塌陷。由于固体电解质中间相的塌陷，连续地发生锂金属的暴露表面因与电解质溶剂的直接反应而分解的副反应，且因此负极的电阻增加，并且电池的充电/放电效率降低。另外，存在如下问题：在形成固体电解质中间相期间，电解质的溶剂被消耗，并且由于在各种副反应如固体电解质中间相的形成和塌陷以及电解质的分解期间产生的副产物、气体等，电池的寿命缩短。

使用锂金属作为负极的锂金属电池由于锂金属的高不稳定性而没有商业化。

为了解决这些问题，已经研究了各种方法，例如在锂金属的表面上引入保护层的方法或改变电解质的组成的方法。

例如，韩国专利申请公开2016-0034183号公开了通过在含有锂金属或锂合金的负极活性层上用聚合物基质形成可以保护负极并积聚电解液的保护层，可以防止电解液的损失和枝晶的产生。