一种高度氟代溶剂调控的电解液及其制备方法、锂电池

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种高度氟代溶剂调控的电解液及其制备方法、锂电池。

背景技术

锂离子电池因其循环寿命长，稳定性高等优点，被广泛应用在消费型电池、储能电池、动力汽车电源上。随着电动汽车的市场进一步扩大，对锂离子电池能量密度提出了更高的要求，可以通过开发高电压电池来提高能量密度，然而，增大商用锂离子电池的充电截止电压会导致传统的六氟磷酸锂有机碳酸酯电解液(下文统一简称EC/DMC)大量分解，电池寿命受到严重影响，因此要开发高电压电解液。

目前开发高电压电解液的手段有加入高电压共溶剂、电解液添加剂、高浓度电解液和离子液体。高浓度电解液因其具有优异的电化学稳定性和容量保持率而备受关注，高浓度电解液通常由锂盐(通常锂盐浓度>3M)、主溶剂和共溶剂组成。因为在高浓度电解液中电解液的溶剂化结构发生了很大的变化，随着锂盐浓度的增加阴阳离子之间的相互作用增强，更多的阴离子进入到溶剂化层，在脱溶剂化过程中更多参与界面膜的形成，最终形成阴离子主导的富含无机组分的界面膜，并且在高浓度电解液中游离的溶剂数目大大减少，增强了电解液的氧化稳定性。所以高浓度电解液拓宽了电解液的电化学窗口，提高了电池的循环稳定性和容量保持率。

虽然高浓度电解液有以上优点，但是在实际应用过程还存在一些问题亟需解决。高浓度电解液因为锂盐浓度较大，黏度大对隔膜和极片的浸润性差、离子电导率低、成本高等，这些都使得高浓度电解液的商业化还有很长的路要走。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种电导率大、黏度小的高度氟代溶剂调控的电解液及其制备方法、锂电池。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明的一种高度氟代溶剂调控的电解液，所述电解液包括锂盐、主溶剂和共溶剂，所述锂盐、所述主溶剂和所述共溶剂的质量百分比为：18.9％:33.3％:47.7％。

进一步地，所述共溶剂为高度氟代醚类溶剂。

进一步地，所述主溶剂为碳酸酯类溶剂。

优选地，所述主溶剂为碳酸二甲酯溶剂或碳酸甲乙酯溶剂。

进一步地，所述锂盐为六氟磷酸锂。

进一步地，所述锂盐的浓度为1.5M-2.4M。

进一步地，所述主溶剂与所述共溶剂的体积比为2：1-1：2。

一种高度氟代溶剂调控的电解液制备方法，用于制备一种高度氟代溶剂调控的电解液，包括以下步骤：

将六氟磷酸锂溶解在主溶剂，形成第一溶液；

将所述第一溶液加入共溶剂中，形成高度氟代溶剂。

一种锂电池，包括一种高度氟代溶剂调控的电解液

有益效果：本发明提供的电解液与传统的六氟磷酸锂有机碳酸酯组电解液相比有更宽的电化学窗口以及在石墨负极形成的界面膜含更多无机组分，有效提升锂离子在界面层的迁移率，从而提升了电池的循环稳定性和倍率性能。

附图说明

图1是实施例2电解液溶剂化结构表征图；

图2是实施例2电解液耐氧化性分析图；

图3是实施例2电化学数据分析图；

图4是实施例2交流阻抗谱图。

具体实施方式

实施例1

一种高度氟代溶剂调控的电解液，电解液包括锂盐、主溶剂和共溶剂，锂盐、主溶剂和共溶剂的质量百分比为：18.9％:33.3％:47.7％。共溶剂为高度氟代醚类溶剂，主溶剂为碳酸酯类溶剂。主溶剂为碳酸二甲酯溶剂或碳酸甲乙酯溶剂。锂盐为六氟磷酸锂。本实施例主溶剂选用碳酸二甲酯。锂盐的浓度为1.5M-2.4M，本实施例钾盐浓度选用2.0M。主溶剂与共溶剂的体积比为2：1-1：2，本实施例主溶剂与共溶剂的体积比优选为1：1。

实施例2

一种高度氟代溶剂调控的电解液制备方法，用于制备一种高度氟代溶剂调控的电解液，包括以下步骤：

将六氟磷酸锂溶解在主溶剂，形成第一溶液；

将第一溶液加入共溶剂中，形成高度氟代溶剂。

由于氟的电负性大对电子的吸引力强，本发明将高度氟代的共溶剂加入到电解液中会吸引主溶剂中负离子的羰基，与锂离子形成竞争溶剂化，从而减弱锂离子与主溶剂碳酸酯之间的溶剂化作用，这样就使得更多的阴离子进入溶剂化层，形成类似高浓电解液的溶剂化结构，即阴离子更多参与溶剂化，在脱溶剂化过程参与界面膜的形成，形成富含无机组分的界面膜。具体证明方式有以下步骤：

(1)电解液溶剂化结构的表征

为了证明高度氟代溶剂的加入会与DMC配位，与锂离子竞争溶剂化，用拉曼光谱对溶剂化结构进行表征，如图1所示，DMC与锂离子配位峰和未配位峰分别为917cm

(2)电解液耐氧化性分析

对电解液做了线性扫描伏安法，如图2所示，可以看出高度氟代醚类电解液(2M-DMC/12-F)的分解电压相对于传统的六氟磷酸锂和有机碳酸酯电解液(EC/DMC)有了很大的提升，也就是电解液的氧化稳定性得到了很大提升，高度氟代醚类电解液(2M-DMC/12-F)的氧化稳定性跟高浓度电解液(4M-DMC)相近。

(3)电化学数据

在扣式电池中当截至电压为4.6V，分别测试高度氟代醚类电解液(2M-DMC/12-F)、高浓度电解液(4M-DMC)及有机碳酸酯电解液(EC/DMC)的倍率性能，测试结果如图3所示，在不同的倍率下高度氟代醚类电解液(2M-DMC/12-F)电解液的放电比容量均高于对比例有机碳酸酯电解液(EC/DMC)，略高于对比例高浓度电解液(4M-DMC)，高度氟代醚类电解液(2M-DMC/12-F)的倍率性能较传统碳酸酯电解液有了很大提高。

(4)界面膜成分分析

为了进一步研究不同电解液溶剂化结构对SEI的化学成分和空间结构的影响，我们利用X射线光电子能谱表征石墨负极的SEI层的成分。在EC/DMC电解液中，所形成的SEI膜主要由有机成分和少量无机产物组成。在12-F电解液中形成的SEI膜则由少量的有机成分和大量无机成分组成，也进一步说明了在12-F电解液中更多的阴离子参与溶剂化形成了类高浓度电解液的溶剂化结构。

(5)交流阻抗谱

如图4所示，在两种电解液中循环了30圈后扣式电池的交流阻抗谱图，从图中可以看出在12-F电解液中循环的电池锂离子通过固态电解质阻抗和电荷传递阻抗均小于EC/DM组，由此可以说明由12-F组电解液组装的电池在循环过程中更稳定。

上述实施例中：EC为碳酸乙烯酯、DMC为碳酸二甲酯、EMC为碳酸甲乙酯、12-F为高度氟代醚类溶剂、free-DMC为自由碳酸二甲酯、Coordination DMC为协调碳酸二甲酯、SEI(Solid Electrolyte Interphase)膜为离子可通过、电子不可通过的固体电解质界面膜、EC/DMC是浓度为1.0M的六氟磷酸锂及体积比为3：7的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯、2M-DMC/12-F是2.0M的六氟磷酸锂及体积比为1：1的碳酸二甲酯和高度氟代醚类溶剂、4M-DMC是4.0M的六氟磷酸锂和碳酸二甲酯。

实施例3

一种锂电池，包括一种高度氟代溶剂调控的电解液。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。