[发明专利]一种金属锂电池电解液添加剂及其电解液

说明书

本发明提供了一种金属锂电池电解液添加剂及其电解液。本发明的锂电池电解液添加剂具有特定化学结构,不饱和C＝C双键引发聚合反应，在金属锂表面形成致密的聚合物固体电解质界面膜(SEI膜)，隔绝金属锂与电解液的副反应，并且F元素使金属锂表面生成的SEI膜中富含LiF，抑制锂枝晶的生长。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种金属锂电池电解液添加剂及其电解液。

背景技术

随着便携式电子产品和新能源汽车的快速发展和迅速增长，人们迫切需要开发更高能量密度的电池来满足小型化、轻薄化的发展趋势。传统的石墨负极的理论比容量仅有372mAh g^-1，导致目前以石墨为负极的锂离子电池的能量密度很难超过300Wh Kg^-1。金属锂负极(Li)具有最高的理论比容量(3860mAh g^-1)和最负的电极电位(-3.04V vs标准氢电极)，被认为是最理想的负极材料。例如采用金属锂为负极，磷酸锰铁锂为正极的锂离子电池的能量密度可提高到440Wh Kg^-1，而以金属锂为负极的锂硫电池的理论能量密度更是高达2600Wh Kg^-1。作为具有最高理论比容量的负极材料，金属锂负极有巨大的应用空间和潜力。然而，金属锂负极在充放电循环过程中存在着锂枝晶的生长、不稳定的SEI膜以及巨大的体积变化等问题，这些问题造成金属锂电池循环稳定性差和库伦效率偏低，而且锂枝晶有可能造成电池短路，引发严重的安全问题，阻碍了金属锂二次电池的商业化应用。

目前，针对金属锂负极存在的问题，主要从电解液添加剂、非原位界面膜构建、构建三维骨架结构等方面出发对金属锂进行改性。其中在电解液中添加添加剂的方法相比其他的方法具有明显的优势。由于电解液的修饰不需要大幅度地更改电池的任何结构，操作简单，易于工业化生产。只需在电解液中少量的添加(一般添加的质量分数＜5％)，就可以在金属锂表面形成稳定的SEI膜，从而改善金属锂负极性能，具有高效率、低成本的优点。Luo等人(Nature Communications,2022,12(1):186)在醚类电解液中添加微量的咖啡酸，在循环过程中，电子会从金属锂转移到咖啡酸的不饱和C＝C双键引发聚合反应，在金属锂表面形成致密的含有聚合物的薄膜，提升了金属锂的电化学性能。Luo等人(Journal ofColloidand Interface Science,2021,595,35-42)在碳酸酯类电解液中添加了1,3-二乙烯基四甲基二硅氧烷添加剂，该添加剂在金属锂表面形成了一层含硅元素的聚合物SEI薄膜。虽然上述的添加剂都在金属锂表面形成了一层致密的聚合物SEI，有效隔绝了电解液和金属锂的副反应，然而这些SEI膜的机械强度不够，对锂枝晶的抑制作用有限。因此，需要开发新型的添加剂，能在金属锂表面形成致密的、稳定的、高机械强度的SEI膜，有利于推动金属锂负极产业化应用进程。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种金属锂电池电解液添加剂及其电解液，本发明的技术方案如下。

一种金属锂电池电解液添加剂，所述锂电池电解液添加剂使得金属锂表面形成致密的聚合物固体电解质界面膜，所述锂电池电解液添加剂的化学式为：

优选的，R¹、R²、R³为C1～C4的烷基、官能团中的一种任意一种，并且R¹、R²、R³中至少有一个是

优选的，所述的C1～C4的烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基或叔丁基。

一种金属锂电池电解液，所述金属锂电池电解液包括锂盐、有机溶剂和上述的金属锂电池电解液添加剂。

优选的，所述的有机溶剂为碳酸酯类或醚类溶剂。

优选的，所述的碳酸脂类溶剂为碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、1，4-丁丙酯中的至少一种。