一种包含氟代磷酸酯的电解液与锂金属电池

本发明属于锂金属电池，尤其涉及一种包含氟代磷酸酯的电解液与锂金属电池。

背景技术：

1、如今，人们在日常生活中越来越依赖电子设备，进而对电子设备中的储能电池的要求越来越严格。由于锂离子电池的石墨负极的限制，其理论比容量只有372mah/g，使得锂离子电池的能量密度将逐渐达到其瓶颈(300wh/kg)。相比较，锂金属具有十分高的理论比容量(3860mah/g)，以及更低的电极电势(-3.04v vs标准氢电极)，因此采用锂金属代替石墨作为负极的锂金属电池，其比容量将显著提升，是下一代高比能电池体系的理想选择之一。

2、然而，相较于锂离子电池来说，锂金属电池负极的反应性更强，稳定性更差，易与电解液发生反应，形成不稳定的界面层。该界面层会随着循环的进行会发生动态变化，不断破裂重组增厚，影响了电池的循环寿命和性能，并且更容易生长枝晶，造成电池短路，进而引发安全问题。

3、再者，高压锂金属电池面对的困境更加严峻。首先是传统的商业锂离子电池中所使用的碳酸酯电解液与锂金属负极很难兼容，锂金属电池中常常使用醚类电解液来提高负极的库伦效率和稳定性。然而在高压(4.5v以上)情况下，醚类分子也很难达到如此宽的电压窗口，所以需要采取一些溶剂分子的设计，电解液一些调控手段来达到兼容正负极稳定性的目的。并且，目前越来越多的高压正极被发明并在锂离子电池中得以使用，比如高镍正极，富锂锰基正极，然而与之相匹配的锂金属电池电解液却比较少。

4、因此，在高压锂金属电池电解液方面，亟待提供一个合理有效的电解液方案，以改善高压情况下，锂金属电池的正负极兼容问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种包含氟代磷酸酯的电解液与锂金属电池，该电解液能够在高电压的情况下，很好地与锂金属负极及高压正极相兼容，解决了电解液高压稳定性的问题，使高压锂金属电池具有优异的长循环性能。

2、本发明提供了一种包含氟代磷酸酯的电解液，包括锂盐、溶剂与稀释剂；所述溶剂包括氟代甲基磷酸酯。

3、优选的，所述氟代甲基磷酸酯包括二氟甲基磷酸二烷基酯；所述二氟甲基磷酸二烷基酯中烷基的碳原子数为2～5。

4、优选的，所述稀释剂包括氟代烷基醚；所述氟代烷基醚的结构式为r1-o-r2，r1与r2各自独立地为c1～c5的氟代烷基。

5、优选的，所述氟代烷基醚选自1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚和/或2,2,2-三氟乙基-1,1,2,3,3,3-六氟丙基醚。

6、优选的，所述锂盐包括氟代烷基磺酰亚胺锂；所述氟代烷基磺酰亚胺锂选自双氟甲烷磺酰亚胺锂和/或双三氟甲烷磺酰亚胺锂。

7、优选的，基于所述电解液的总物质的量，所述锂盐的摩尔浓度为a％，所述氟代甲基磷酸酯的摩尔浓度为b％，所述稀释剂的摩尔浓度为c％，所述a、b与c满足以下(1)～(3)特征中的至少两个：

8、(1)5≤a≤30；

9、(2)1≤b≤80；

10、(3)20≤c≤85。

11、本发明还提供了一种包含氟代磷酸酯的电解液的制备方法，包括以下步骤：

12、在保护气氛中，将锂盐与溶剂混合，然后加入稀释剂，得到包含氟代磷酸酯的电解液；所述溶剂包括氟代甲基磷酸酯。

13、本发明还提供了一种锂金属电池，包括上述的包含氟代磷酸酯的电解液。

14、优选的，包括正极极片、负极极片、隔膜与包含氟代磷酸酯的电解液；所述负极极片为金属锂。

15、优选的，所述正极极片包括正极集流体与设置于正极集流体上的正极活性材料层；所述正极活性材料层包括正极活性材料；所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂和/或富锂锰基正极材料。

16、本发明提供了一种包含氟代磷酸酯的电解液，包括锂盐、溶剂与稀释剂；所述溶剂包括氟代甲基磷酸酯。与现有技术相比，本发明以氟代甲基磷酸酯为溶剂，氟代甲基与p直接相连，由于氟代甲基与p的弱成键，在负极还原过程中会优先断键形成含氟的sei结构，从而更好保护负极，从而使包含该特定结构的磷酸酯类化合物的电解液能够兼容锂金属负极和高压正极，实现了较高的锂金属负极库仑效率和高压正极的循环稳定性，并且相较于传统碳酸酯电解液，该电解液可改善率锂金属负极枝晶生长的问题，保证了锂金属全电池的长循环稳定性，同时该电解液具有阻燃性，能够有效提高锂金属电池的安全性。

技术特征：

1.一种包含氟代磷酸酯的电解液，其特征在于，包括锂盐、溶剂与稀释剂；所述溶剂包括氟代甲基磷酸酯。

2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述氟代甲基磷酸酯包括二氟甲基磷酸二烷基酯；所述二氟甲基磷酸二烷基酯中烷基的碳原子数为2～5。

3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述稀释剂包括氟代烷基醚；所述氟代烷基醚的结构式为r1-o-r2，r1与r2各自独立地为c1～c5的氟代烷基。

4.根据权利要求3所述的电解液，其特征在于，所述氟代烷基醚选自1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚和/或2,2,2-三氟乙基-1,1,2,3,3,3-六氟丙基醚。

5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述锂盐包括氟代烷基磺酰亚胺锂；所述氟代烷基磺酰亚胺锂选自双氟甲烷磺酰亚胺锂和/或双三氟甲烷磺酰亚胺锂。

6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，基于所述电解液的总物质的量，所述锂盐的摩尔浓度为a％，所述氟代甲基磷酸酯的摩尔浓度为b％，所述稀释剂的摩尔浓度为c％，所述a、b与c满足以下(1)～(3)特征中的至少两个：

7.一种包含氟代磷酸酯的电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.一种锂金属电池，其特征在于，包括权利要求1～6任意一项所述的包含氟代磷酸酯的电解液或权利要求7所述制备方法制备的包含氟代磷酸酯的电解液。

9.根据权利要求8所述的锂金属电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片、隔膜与包含氟代磷酸酯的电解液；所述负极极片为金属锂。

10.根据权利要求9所述的锂金属电池，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体与设置于正极集流体上的正极活性材料层；所述正极活性材料层包括正极活性材料；所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂和/或富锂锰基正极材料。

技术总结
本发明提供了一种包含氟代磷酸酯的电解液，包括锂盐、溶剂与稀释剂；所述溶剂包括氟代甲基磷酸酯。与现有技术相比，本发明以氟代甲基磷酸酯为溶剂，氟代甲基与P直接相连，由于氟代甲基与P的弱成键，在负极还原过程中会优先断键形成含氟的SEI结构，从而更好保护负极，从而使包含该特定结构的磷酸酯类化合物的电解液能够兼容锂金属负极和高压正极，实现了较高的锂金属负极库仑效率和高压正极的循环稳定性，并且相较于传统碳酸酯电解液，该电解液可改善率锂金属负极枝晶生长的问题，保证了锂金属全电池的长循环稳定性，同时该电解液具有阻燃性，能够有效提高锂金属电池的安全性。

技术研发人员：曹瑞国,刘智林,朱星宝,焦淑红,揭育林
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10