[发明专利]一种电解液用改性剂西比氯铵及其改性方法与应用

说明书

本发明公开了一种电解液用改性剂西比氯铵及其改性方法与应用。该改性剂西比氯铵结构式如下所示：，向电解液中加入西比氯铵充分搅拌溶解后，静置，即得改性后的电解液。西比氯铵添加剂可以显著提升锂金属负极的稳定性，既有助于在锂负极表面形成一层保护性的SEI，又能够指导锂离子的均匀沉积，从而使锂金属电池获得更高的放电比容量和库伦效率、改善的循环稳定性和电化学动力学性能。西比氯铵添加剂同时适用于酯类电解液和醚类电解液，应用范围广阔，具有极大的应用前景，通过对电解液中溶剂化结构的影响，西比氯铵添加剂使得电池的低温性能有极大的提高和改善，提高了极端气候条件下应用的可能性。

技术领域

本发明涉及可充电的金属锂电池领域，具体涉及一种电解液用改性剂西比氯铵及其改性方法与应用。

背景技术

受限于传统石墨负极低的理论比容量（372 mAh•g^-1），商业化的锂离子电池已经越来越无法满足人们对于高能量密度、高安全性和长循环寿命的二次储能设备的需求。金属锂具有很高的理论比容量（3860 mAh•g^-1）和很低的还原电势（-3.04V），因而被视作是良好的锂电池负极候选材料。尤其是对于一些新型的高能量密度电池体系，如锂-氧电池和锂-硫电池，金属锂负极更是不可或缺的负极材料。然而，金属锂用作二次电池的负极材料存在严重的安全性问题，比如：活泼的金属锂极易与有机电解液发生反应从而在锂负极表面生成脆弱的固态电解质界面层(SEI)，传统的界面层不仅化学稳定性较差而且机械强度较低，因而会在反复的循环过程中发生破碎造成金属锂和有机电解液的不断消耗，最终导致库伦效率的加速衰减。同时，在反复的镀锂/剥锂过程中，金属锂负极会面临不可避免的非均匀锂沉积，这就会直接导致锂枝晶的形核和生长。锂枝晶的生长不仅会加速副反应的进行，更严重地，将导致隔膜刺穿、电池短路、热失控等严重的安全问题。因此，如何在锂金属负极表面构筑一层化学稳定性高、力学性能良好的SEI，如何实现锂离子在锂负极表面的均匀沉积是实现锂金属电池尽早应用所必须解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电解液用改性剂西比氯铵及其改性方法与应用，本发明所用的西比氯铵为现有材料的新应用，西比氯铵电离出的十六烷基吡啶离子(CP⁺)，通过静电相互作用吸附到锂金属负极表面的凸起位置，最终形成交联的疏锂保护层。该保护层通过疏锂排斥机制使得锂离子无法连续沉积至相同位置，从而实现锂离子的均匀沉积，避免锂枝晶的形核和生长。同时，过量的CP⁺和氯离子(Cl^-)会与金属锂发生反应而生成一层包含氯化锂(LiCl)、氮化锂(Li₃N)、氮氧化锂(Li_xNO_y)等成分的SEI，该SEI化学稳定性、力学性能良好，同时兼具较高的锂离子传导率，从而使得锂金属负极的稳定性和电化学动力学性能均得到明显地改善。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种电解液用改性剂西比氯铵，所述改性剂西比氯铵的结构式如下所示：

。

作为改进的是，所述西比氯铵的添加量为0.5-10.0mM。

进一步改进的是，所述西比氯铵的添加量为1.0mM

上述改性剂西比氯铵的改性方法，其特征在于，向电解液中加入西比氯铵充分搅拌溶解后，静置，即得改性后的电解液；所述电解液为酯类电解液或醚类电解液。

基于上述所得改性后电解液在制备锂电池上的应用。

作为改进的是，所述锂电池包括正极、弹片、垫片、隔膜、负极，以及改性电解液；所述正极的材料为磷酸铁锂(LiFePO₄)、三元正极（LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）；所述正极的材料为磷酸铁锂(LiFePO₄)，所述隔膜为GF隔膜、PE隔膜、PP隔膜、PP/PE隔膜或PP/PE/PP隔膜的一种或多种混合。