一种冠醚改性的混合锂空气电池电解质

本发明涉及锂空气电池领域，具体涉及的是一种冠醚改性的锂空气电池电解质。

背景技术：

1、锂空气电池具有超高的理论能量密度，被认为是下一代最具潜力的二次电池体系之一。然而，锂空气电池充放电反应依靠过氧化锂的可逆生成和分解，要经历复杂的中间转换反应步骤，还面临着多种活性氧基团的威胁与攻击。因此，现阶段锂空气电池的实际容量与理论容量差距较大，其循环性能还无法达到实际应用的要求。电解质是锂空气电池重要的组成部分，其物理和化学性质(如粘度、电导率、介电常数、电化学窗口、氧气溶解度、对活性氧基团的耐受能力等)会影响锂离子和活性氧基团在电池中的输运，还决定着电解质在富含活性氧基团的环境下是否稳定，对电池的性能起着至关重要的作用。因此，从电解质的角度设计出发能够有效调控锂空气电池的充放电反应路径，明确反应机制，从而改善电池的性能。

2、施主数(dn值)较高的溶剂(例如二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等)，其溶剂化锂离子的能力很强，可以稳定锂空气电池的中间产物超氧根离子，促进放电产物过氧化锂的溶剂相生长机制，还能避免正极孔隙堵塞，提高电池的放电容量，但这类溶剂容易受到活性氧基团的攻击而发生分解，且无法在锂金属表面形成稳定的固体中间相膜，使得电池内部副反应严重，循环性能较差。

3、冠醚可以与碱金属阳离子螯合形成稳定的络合物，不同的冠醚种类随环的大小不同而具有选择性地与不同的金属阳离子络合。其中18-冠醚-6由于环的尺寸远大于锂离子的直径，本不与锂离子络合，或者作用力比较弱。如果将18-冠醚-6添加于含高dn值溶剂的锂空气电池电解质中，锂离子优先与高dn值溶剂形成溶剂化结构，再以锂离子为中心环绕生成的溶剂化结构，使得溶剂化结构更加稳定；且冠醚不与阴离子络合，使环外游离和裸露的活性氧阴离子增加，促进过氧化锂的溶剂相生长机制，增大电池的放电容量；同时环外游离的高dn值溶剂分子减少，盐阴离子增加，抑制高dn值溶剂的分解，促进电解质/锂负极界面处稳定固体中间相膜的形成，提高电池的循环性能。

技术实现思路

1、本发明提供了一种冠醚改性的混合锂空气电池电解质，本发明以18-冠醚-6作为添加剂，其能够以锂离子为中心环绕锂离子与高dn值溶剂优先形成的溶剂化结构，让溶剂化结构更加稳定，促进放电产物过氧化锂的溶剂相生长机制，增大电池的放电容量，还能抑制电池内部活性氧基团与高dn值溶剂的副反应和提高电解质/锂负极界面的稳定性，提高电池的循环性能。

2、本发明首先提供了18-冠醚-6在作为锂空气电池电解质添加剂中的应用。

3、本发明的另一个目的是提供18-冠醚-6在制备锂空气电池电解质中的应用。

4、本发明第三个目的是提供一种电池电解质，包括锂盐、溶剂和添加剂。

5、上述的电池电解质由溶剂、锂盐、添加剂组成。

6、上述的电池电解质中，所述锂盐为licf3so3、lin(so2cf3)2、lic(so2cf3)3和liclo4中的至少一种；

7、所述溶剂为二甲基亚砜、环丁砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种；

8、所述添加剂为18-冠醚-6。

9、上述的电池电解质中，所述锂盐浓度为0.001～5mol/l；具体可为0.05～3mol/l；更具体可为1mol/l；

10、所述添加剂的浓度为0.001～5mol/l；具体可为0.001～0.5mol/l；更具体可为0.05～0.2mol/l。

11、本发明还提供了上述电池电解质的制备方法，包括如下步骤：

12、将所述锂盐溶解到所述溶剂中，然后加入所述添加剂，在氩气手套箱中充分搅拌均匀，即得所述电池电解质。

13、上述电池电解质在制备锂空气电池中的应用也属于本发明的保护范围。

14、本发明进一步提供了一种锂空气电池，其电解质为上述电池电解质。

15、所述锂空气电池的正极活性电极材料为科琴黑、商业碳、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、二氧化钌和四氧化三钴中的至少一种。

16、本发明的有益效果如下：

17、本发明提供的一种冠醚改性的锂空气电池混合电解质，冠醚的成分是18-冠醚-6，其添加于含高dn值溶剂的锂空气电池电解质中，可以以锂离子为中心环绕锂离子与高dn值溶剂优先形成的溶剂化结构，让溶剂化结构更加稳定，且冠醚不与阴离子络合，使环外游离和裸露的活性氧阴离子增加，促进过氧化锂的溶剂相生长机制，增大电池的放电容量；同时环外游离的高dn值溶剂分子减少，盐阴离子增加，抑制高dn值溶剂的分解，促进电解质/锂负极界面处稳定固体中间相膜的形成，提高电池的循环性能。

技术特征：

1.一种冠醚改性的锂空气电池电解质，由溶剂、锂盐和添加剂组成，其特征在于，所述添加剂为18-冠醚-6；所述添加剂与锂离子络合的能力比溶剂更弱，能够以锂离子为中心环绕锂离子与溶剂优先形成的溶剂化结构；所述添加剂不与阴离子络合，使环外游离和裸露的活性氧阴离子增加，促进过氧化锂的溶剂相生长机制，增大电池的放电容量；所述添加剂使得电解质内部游离的高dn值溶剂分子减少，盐阴离子增加，抑制高dn值溶剂的分解，促进电解质/锂负极界面处稳定固体中间相膜的形成，提高电池的循环性能。

2.如权利要求1所述的冠醚改性的锂空气电池电解质，其特征在于：所述锂盐为licf3so3、lin(so2cf3)2、lic(so2cf3)3和liclo4中的至少一种；

3.如权利要求1-2中任一项所述的冠醚改性的锂空气电池电解质，其特征在于：锂盐浓度为0.001～5mol/l，具体可为1mol/l。

4.如权利要求1-3中任一项所述的冠醚改性的锂空气电池电解质制备方法，包括以下步骤：

5.权利要求1-4中任一项所述的电池电解质在制备锂空气电池中的应用。

6.一种锂空气电池，其电解质采用如权利要求1-4任意一项所述的冠醚改性的锂空气电池电解质。

7.根据权利要求5所述的应用或权利要求6所述的锂空气电池，其特征在于：所述锂空气电池的正极活性电极材料为科琴黑、商业碳、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、二氧化钌和四氧化三钴中的至少一种。

技术总结
本发明公开了一种冠醚改性的混合锂空气电池电解质，属于锂空气电池领域。本发明以18‑冠醚‑6作为锂空气电池电解质的添加剂。该添加剂能够以锂离子为中心环绕锂离子与高DN值溶剂优先形成的溶剂化结构，促进过氧化锂的溶剂相生长机制，增大电池的放电容量；还能抑制高DN值溶剂的分解，促进电解质/锂负极界面处稳定固体中间相膜的形成，提高电池的循环性能。

技术研发人员：陈人杰,张凤玲,赖静宁,胡正强,李丽,吴锋
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15