[发明专利]一种磷酸酯阻燃电解液及锂金属电池

说明书

本发明属于电池技术领域，公开了一种磷酸酯阻燃电解液及锂金属电池，所述的磷酸酯阻燃电解液由锂盐、磷酸酯溶剂、稀释剂组成。本发明使用甲氧基乙氧基甲基磷酸二甲酯或者甲氧基乙氧基甲基磷酸二乙酯作为新型磷酸酯溶剂，采用局部高盐浓度电解液体系，通过调整锂盐、磷酸酯溶剂和稀释剂的用量，使得在局部高盐浓度下，绝大多数磷酸酯溶剂分子与Lisupgt;+/supgt;络合，几乎没有自由的溶剂分子存在，抑制了磷酸酯分子在锂金属负极表面的不可逆分解，同时磷酸酯溶剂自身的阻燃性，大大提高了锂金属电池的安全性。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种磷酸酯阻燃电解液及锂金属电池。

背景技术

锂离子电池在过去几十年间迅速发展，但其能量密度正在接近理论极限。锂金属具有3862 mAh g^-1的超高理论比容量，因此锂金属电池受到广泛关注。近年来，电动汽车以其节能无污染的优点在汽车市场的占比越来越大，但是电动汽车的安全事故也时有发生。尤其是在夏天温度升高时，汽车起火事故也增多。电动汽车起火的一个主要原因是因为使用有机可燃溶剂，例如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等，其中部分有机碳酸酯沸点、闪点低，在加热时产生氢自由基，增加燃烧的可能性。同时，在锂金属电池中，传统碳酸酯电解液具有高反应性，与锂金属负极发生副反应，生成不可控的枝晶，导致低库仑效率和安全隐患。所以，亟需发展一种高安全性和界面友好的电解液体系。

磷酸酯溶剂是电解液中常用的阻燃溶剂，磷元素的存在使得磷酸酯溶剂有不可燃的性质，同时磷元素通过自由基捕获机制，还能起到阻燃的作用。磷酸酯的自由基捕获机制为：当温度升高时时，磷酸酯受热气化释放出含磷自由基，含磷自由基捕获体系中的氢自由基、氢氧自由基，从而阻止燃烧。然而磷酸酯溶剂面临与锂金属负极兼容性差的难题，严重影响锂金属电池的循环寿命和循环稳定性，阻碍了其在锂金属电池中的应用。

目前提高磷酸酯和锂金属的兼容性常用的方法有：①使用成膜添加剂；②采用高浓度或者局部高浓度电解液体系。大量的成膜添加剂会使电池性能下降，所以成膜添加剂的使用一般是微量的，但是这会造成其发挥作用的时效短、使用量难以把控的问题。采用局部高浓度电解液体系使得在局部高盐浓度下，绝大多数磷酸酯溶剂分子与Li⁺络合，几乎没有自由的溶剂分子存在。因此达到抑制磷酸酯分子在锂金属负极表面不可逆分解，实现锂金属电池的可逆电化学循环的目的。同时，搭配使用不可燃稀释剂，电解液的安全性能进一步提高。

上述局部高浓度电解液体系通常采用的磷酸酯有磷酸三甲酯和磷酸三乙酯，但是二者存在与锂金属负极兼容性差、易形成锂枝晶的问题。采用的锂盐通常有双三氟甲烷磺酰亚胺锂和六氟磷酸锂，但双三氟甲烷磺酰亚胺锂相对分子质量大，与同等浓度下相对分子质量小的锂盐相比，有易造成电解液粘度大且电导率低的问题。六氟磷酸锂的相对分子质量小，但其热稳定性差，不适用于阻燃电解液。采用的稀释剂通常有双(2,2,2-三氟乙基)醚和1H,1H,5H-八氟戊基-1,1,2,2-四氟乙基醚，二者均存在价格高的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决常规磷酸酯基电解液和锂金属不兼容的问题而开发一种应用于锂金属电池的磷酸酯不可燃电解液。该电解液体系以甲氧基乙氧基甲基磷酸二甲酯或者甲氧基乙氧基甲基磷酸二乙酯为主溶剂，其分子结构特点是侧链为长醚链，同时结合局部高浓度电解液策略，抑制锂枝晶生长，显著提高锂金属电池的库仑效率和延长循环寿命。

本发明的技术方案：

本发明的第一方面，提供了一种磷酸酯阻燃电解液，电解液由锂盐、磷酸酯溶剂、稀释剂组成；锂盐为含氟锂盐，磷酸酯溶剂为甲氧基乙氧基甲基磷酸二甲酯或者甲氧基乙氧基甲基磷酸二乙酯，以甲氧基乙氧基甲基磷酸二乙酯为最佳。

磷酸酯溶剂占整体电解液体积的10-90%；磷酸酯溶剂与稀释剂的体积比为1-6:4-9；比如1.67:8.33、2:8、6:4、4:6等，优选为1.67:8.33。