不燃高性能锂金属电池电解液、其制备方法及锂金属电池与流程

1.本发明涉及锂金属电池技术领域，尤其涉及不燃高性能锂金属电池电解液、其制备方法及锂金属电池。


背景技术：

2.随着便携式电子设备、新能源电动汽车等储能市场的快速发展，对二次电池的安全性、能量密度、循环寿命等技术指标提出了更高的要求。虽然锂离子电池是目前应用最为广泛的二次电池，但是由于嵌入式正负极材料有限的比容量，其能量密度已逐渐接近理论极限，难以满足严苛的市场需求。金属锂作为下一代高能量密度可充电电池的“圣杯”具有很高的理论容量(3861ma/g)和较负的氧化还原电位(-3.04vvs标准氢电极)，吸引了科研人员的广泛关注和研究。遗憾的是目前大部分锂金属电池使用的均为易燃的有机电解质，在电池热失控时极易发生起火与爆炸。同时锂枝晶的生长不仅造成锂源与电解质的不断消耗，严重的还可能引起电池内部短路，使得电池燃烧爆炸。开发与锂金属电池相匹配的具有优异电化学性能、高安全性的电解质是目前研究的重要课题。
3.近年来高浓度电解液的研究被广泛关注，当电解液中的锂盐浓度提高到一定程度时，电解液的安全性大幅度提升、电化学窗口大幅拓宽，锂枝晶生长被抑制、同时又能够显著改善正负极界面稳定性，进而提升锂金属电池的电化学性能。但高浓度锂盐电解液的实际应用面临种种困难，如高粘度，低离子电导率等问题。基于此研究者又提出了利用高度氟化的醚类稀释剂(如氢氟醚)与高浓度电解液形成局部高浓电解质。这类稀释剂不仅保留了高浓度电解质的溶剂化结构，又改善了电解液的浸润性，提高了离子电导率。因此高盐电解液与高度氟化醚类稀释剂的复合电解液体系近年来受到了广泛关注和大量研究。
4.目前锂金属电池通常采用由热不稳定盐(如lipf6)和高度易燃的有机溶剂(醚与碳酸酯)组成的电解质，为了解决锂金属电池安全问题，有如下几种方案：1、采用固态电解质来取代液态电解质，避免了挥发、泄露、易燃等问题。其主要分类有无机陶瓷电解质、有机聚合物电解质以及复合电解质等。2、提高电解液中锂盐浓度，高浓度电解质中游离有机溶剂含量较低，易燃性会显著降低。并且在高浓度电解质中，与锂离子紧密配合的阴离子和溶剂分子形成的三维网络可以抑制来自电极的过渡金属的溶解从而提高电池性能。3、以磷酸三甲酯、磷酸三乙酯为代表的磷酸盐溶剂电解液，在传统的有机电解质中，溶剂热分解产生的氢与羟基自由基，这些自由基易触发气体燃烧反应。磷酸盐可以有效的清除这些自由基，阻止燃烧的链式反应，是有效的阻燃剂。4、离子液体电解质，由室温熔融盐与锂盐形成的电解质，具有不燃性，不易挥发等诸多优点。5、氟化溶剂由于氟化物的碳氟键裂解需要大量能量以及氟原子取代了大量氢原子，减少了氢自由基的形成，故此类溶剂具有优异的热稳定性与不燃性。
5.固态电解质离子电导率低于液态电解液，且存在与电极的匹配性问题，很多的电解质与正极氧化物材料不兼容，稳定性差。高盐电解液存在粘度高，与隔膜浸润性差，离子电导率低，成本高等缺点。磷酸盐通常与阳极的相容性较差。这是因为磷酸盐溶剂在正极表
面不断分解，从而导致锂电池的循环稳定性差。离子液体电解质过于昂贵，且存在粘度高，电导率低，离子迁移数小，倍率性能极差等问题。氟化溶剂目前可用作电解质种类较少，且大部分氟化溶剂也较为昂贵，研究的体系较少且较为单一。
6.因此，研发一种不燃高性能锂金属电池电解液对于促进锂金属电池的发展至关重要。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种不燃高性能锂金属电池电解液、其制备方法及锂金属电池。
8.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
9.第一方面，本发明提供不燃高性能锂金属电池电解液，包括：
10.锂盐、聚合物溶剂以及不燃稀释剂；
11.所述锂盐能够溶解于所述聚合物溶剂中形成盐包聚合物电解质，所述盐包聚合物电解质均匀分散于所述不燃稀释剂中。
12.在一些优选实施方案中，所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂。
13.在一些优选实施方案中，所述聚合物溶剂包括聚乙二醇单甲醚和聚乙二醇二甲醚中的一种或两种组合，但不限于此。
14.在一些优选实施方案中，所述不燃稀释剂包括1，1，2，2-四氟乙基2，2，3，3-四氟丙醚。
15.第二方面，本发明还提供一种上述不燃高性能锂金属电池电解液的制备方法，包括：
16.使锂盐溶解于聚合物溶剂中，形成盐包聚合物电解质；
17.使所述盐包聚合物电解质均匀分散于不燃稀释剂中，获得阻燃高性能锂金属电池电解液。
18.第三方面，本发明还提供一种锂金属电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，所述电解液包括上述不燃高性能锂金属电池电解液。
19.基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
20.1、本发明所提供的不燃高性能锂金属电池电解液具有局部高浓度锂盐的热稳定性和不燃稀释剂所带来的高度不燃特性。
21.2、本发明所提供的不燃高性能锂金属电池电解液，局部高浓度锂盐与不燃稀释剂的结合，保证了局部高浓度锂盐优异的电化学稳定性，且不燃稀释剂使得电解液粘度降低，浸润性提高，从而提高了电解液的离子电导率与锂离子迁移数。
22.3、本发明所提供的不燃高性能锂金属电池电解液应用于锂金属电池时，聚合物溶剂与锂盐配合在电极表面形成均匀致密的固态电解质相界面，能够更加有效地抑制锂枝晶的生长，避免锂金属电池在循环过程中枝晶生长穿透隔膜造成的短路等问题，提高了锂金属电池的循环寿命。
23.4、本发明所提供的不燃高性能锂金属电池电解液的制备方法不涉及复杂的合成与繁琐的工艺，与目前商业电解液自造工艺接近，设备可沿用，适合规模化应用，且所用原料易得、绿色环保、成本低，有利于推广应用。
24.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
25.图1a是本发明实施例提供的盐包聚合物电解质及一典型实施例提供的盐包聚合物电解质的燃烧性能照片；
26.图1b是本发明实施例提供的盐包聚合物电解质线性扫描伏安曲线图；
27.图1c是本发明实施例提供的盐包聚合物电解质及商业电解液与pp隔膜的接触角测试图片；
28.图1d是本发明实施例提供的盐包聚合物电解质的不锈钢对称电池阻抗图；
29.图1e为本发明实施例提供的盐包聚合物电解质的电导率变化曲线图；
30.图2a为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液照片；
31.图2b为本发明实施例提供的商业电解液、低浓度电解液、盐包聚合物电解质以及不燃高性能锂金属电池电解液的粘度对比图；
32.图2c为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的阻抗特性图；
33.图2d为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的电导率变化图；
34.图2e为本发明一典型实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的接触角测试图；
35.图2f为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的线性扫描伏安曲线图；
36.图3a为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液在磷酸铁锂体系下的首圈循环伏安曲线图；
37.图3b为本发明一典型实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液在磷酸铁锂体系下的不同圈数循环伏安曲线图；
38.图4为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解液、低浓度电解液的阻燃特性的对比照片；
39.图5a-图5c依次为本发明实施例提供的商业电解液、低浓度电解液以及不燃高性能锂金属电池电解液的li/cu电池铜箔循环后表面低倍率sem图片；
40.图5d-图5f依次为本发明实施例提供的商业电解液、低浓度电解液以及不燃高性能锂金属电池电解液的li/cu电池铜箔循环后表面高倍率sem图片；
41.图5g为本发明实施例提供的商业电解液、低浓度电解液以及不燃高性能锂金属电池电解液的li/cu循环性能图；
42.图5h为本发明实施例提供的商业电解液以及不燃高性能锂金属电池电解液的电池极化曲线图；
43.图5i为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的li/li对称电池长循环图；
44.图5j为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的li/a1电池恒压充电图；
45.图6为本发明实施例提供的非聚合物锂金属电池电解液li/cu电池铜箔循环后表面sem图；
46.图7a、图7d、图7g为本发明实施例提供的商业电解液的xps谱图；
47.图7b、图7e、图7h为本发明实施例提供的低浓度电解液的xps谱图；
48.图7c、图7f、图7i为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的xps谱图；
49.图8a为本发明实施例提供的低浓度电解液的密度泛函计算得到的投影态密度图；
50.图8b为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的密度泛函计算得到的投影态密度图；
51.图8c为本发明实施例提供的商业电解液、低浓度电解液以及不燃高性能锂金属电池电解液在锂金属表面形成固态电解质相界面(sei)原理示意图；
52.图9a为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解质的循环性能图；
53.图9b为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液的倍率性能图；
54.图9c为li@cu/lfp电池组装示意图；
55.图9d为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解质在li@cu/lfp电池中的循环性能图；
56.图9e为本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液在li@cu/lfp电池中的电压容量曲线图；
57.图9f为商业电解液在li@cu/lfp电池中的电压容量曲线图。
具体实施方式
58.相关术语及其解释：
59.锂金属电池：采用具有极高比容量(3860mah g-1
)和极低氧化还原电势(-3.04v vs标准氢电极)的金属锂作为负极，正极是磷酸铁锂(lifepo4)等嵌入材料的一类二次电池。
60.盐包聚合物电解质：锂盐含量超过聚合物电解质整体的50％。
61.溶剂分离子对(ssip)：游离溶剂与锂离子的结合体。
62.接触离子对(cip)：锂盐阴离子与一个锂离子形成的结合体。
63.聚集体(agg)：锂盐阴离子与多个锂离子形成的结合体。
64.固态电解质相界面(sei)：电解质与锂金属表面形成的钝化膜，对稳定锂金属电池至关重要。
65.局部高浓度电解质(lhce)：局部高浓电解液中的稀释剂多为自由的惰性溶剂分子，其能与溶剂互溶但不能溶解锂盐。稀释剂的加入不影响原高浓电解液中锂盐与溶剂的溶剂化结构，但会使得单位体积中锂盐的含量降低从而形成局部高浓电解液。局部高浓电解液可以看作是高浓度电解质与稀释剂的混合物。
66.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
67.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具
体实施例的限制。
68.而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
69.本发明实施例提供一种不燃高性能锂金属电池电解液，包括：锂盐、聚合物溶剂以及不燃稀释剂；所述锂盐能够溶解于所述聚合物溶剂中形成盐包聚合物电解质，所述盐包聚合物电解质均匀分散于所述不燃稀释剂中。
70.在一些实施方案中，所述聚合物溶剂包括自交联聚合物。
71.在一些实施方案中，所述聚合物溶剂包括聚乙二醇单甲醚和聚乙二醇二甲醚中的一种或两种组合，但不限于此。
72.在一些实施方案中，所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂。
73.在一些实施方案中，所述不燃稀释剂包括1，1，2，2-四氟乙基2,2,3，3-四氟丙醚。
74.在一些实施方案中，所述聚合物溶剂与锂盐的摩尔比为0.7-1.1。
75.需说明的是，摩尔比为x是指，前述原料的摩尔比为x∶1，例如，聚合物溶剂与锂盐的摩尔比为0.7即是指：聚合物溶剂摩尔数：锂盐的摩尔数＝0.7∶1，本发明其余内容中的摩尔比的数值均与此相同，不再赘述。
76.在一些实施方案中，所述聚合物溶剂与锂盐的摩尔比优选为0.7-0.8。
77.在一些实施方案中，所述所述不燃高性能锂金属电池电解液中不燃稀释剂所占的体积分数为10-90％。
78.在一些实施方案中，所述所述不燃高性能锂金属电池电解液中不燃稀释剂所占的体积分数优选为70-90％。
79.在一些典型实施案例中，本发明提出了液态盐包聚合物的方式，创造性的利用聚乙二醇二甲醚充当锂离子的传输链段，溶解大量锂盐。再利用局部高浓度的策略，采用1，1，2，2-四氟乙基2，2，3，3-四氟丙醚充当稀释剂。这种电解液的设计拥有高的离子电导率与锂离子迁移数，可以在以磷酸铁锂为正极的锂金属电池中稳定循环。同时电解质表现出不燃性，单位锂盐含量低，锂金属界面枝晶生长得到抑制。本发明实施案例中氟化试剂(即不燃稀释剂)选取的是成本较低的1，1，2，2-四氟乙基2，2，3，3-四氟丙醚，这为实用化、低成本、高安全性、高性能锂金属电池电解液设计提供了一种思路。
80.本发明实施例还提供一种上述不燃高性能锂金属电池电解液的制备方法，包括如下步骤：
81.使锂盐溶解于聚合物溶剂中，形成盐包聚合物电解质。
82.使所述盐包聚合物电解质均匀分散于不燃稀释剂中，获得阻燃高性能锂金属电池电解液。
83.在一些典型实施案例中，所述制备方法具体包括：
84.将3a级分子筛于300℃下活化6h，然后加入所述聚合物溶剂或不燃稀释剂中，除水3天。
85.在一些典型实施案例中，本发明实施例提供了一种新颖的不燃高性能锂金属电池电解液(pise
0.7-tte
90
)，利用聚乙二醇二甲醚(pegdme)溶解大量双三氟甲基磺酰亚胺锂(litfsi)形成盐包聚合物电解质(pise)，再利用1，1，2，2-四氟乙基2，2，3，3-四氟丙醚
(tte)与盐包聚合物电解质形成复合电解质(pise-tte)。其中pegdme充当了锂离子传输的链段，litfsi为锂源，tte充当稀释剂且不改变高浓度电解质溶剂化结构。
86.本发明实施例还提供一种锂金属电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，所述正极材料、负极材料和隔膜依次贴合，所述电解液包括上述不燃高性能锂金属电池电解液。
87.在一些实施方案中，所述负极材料表面具有固态电解质相界面，所述固态电解质相界面由所述不燃高性能锂金属电池电解液形成。
88.在一些典型的实施案例中，本发明提供的液态盐包聚合物电解质(即不燃高性能锂金属电池电解液)，以pegdme为液态聚合物(即聚合物溶剂)，提供了一种pegdme自交联机理形成有机层，并配合高浓度锂盐阴离子分解形成的无机成分，共同构成了锂金属表面的有机无机复合sei层的结构。目前未见以上述液态聚合物为电解质溶剂，同时提出了这种分解和成膜的机理的相关报道。
89.本发明提出了液态盐包聚合物的方法和聚乙二醇二甲醚在锂金属表面自交联的机理。通过这种聚乙二醇二甲醚的使用构造了有机无机双层sei，组装的电池表现出优异的电化学性能，表明液态小分子量聚乙二醇二甲醚是这种策略极为合适的液态聚合物。
90.上述分解、交联及成膜反应以及机理如下式以及附图中的图8c所示：
91.有机层：聚醚
[0092][0093]
无机层：锂化合物
[0094][0095]
li2s2o4+licf3+12li
+
+12e-→
2li2s+4li2o+3lif+c
[0096]
在一些实施方案中，所述锂金属电池的内阻为50-70ω，循环寿命大于150圈，倍率能力为0.1c-2c，比容量不低于145mah g-1
，库伦效率不低于98％。
[0097]
以下通过若干实施例便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0098]
实施例1
[0099]
盐包聚合物电解质的制备
[0100]
将litfsi在80℃下干燥12小时，3a级分子筛在300℃下活化6小时。再将活化后的分子筛放入pegdme以及tte溶液中除水3天。
[0101]
然后按照pegdme与litfsi的摩尔比0.7配制盐包聚合物电解质。
[0102]
实施例2
[0103]
盐包聚合物电解质的制备
[0104]
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：pegdme与litfsi的摩尔比为0.8。
[0105]
实施例3
[0106]
盐包聚合物电解质的制备
[0107]
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：pegdme与litfsi的摩尔比为0.9。
[0108]
实施例4
[0109]
盐包聚合物电解质的制备
[0110]
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：pegdme与litfsi的摩尔比为1.0。
[0111]
实施例5
[0112]
盐包聚合物电解质的制备
[0113]
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：pegdme与litfsi的摩尔比为1.1。
[0114]
实施例1-5所配制得不同浓度的盐包聚合物电解质的原料配比及参数性能信息如表1所示，其燃烧性能及电化学特性测试结果如图1a-图1e所示，其中参数x为pegdme与litfsi的摩尔比，且不同摩尔比x形成的电解液标记为pise
x
。
[0115]
表1 li(pegdme)
x
tfsi电解液的基本信息其中x＝0.7-1.1
[0116][0117]
由表1与图1a-图1e可以明确，随着锂盐含量增大，电解质呈现出优异的热稳定性以及氧化稳定性，其中pise
0.7
较pise
0.8-1.1
具有最高的氧化稳定性，分解电压为4.75v。虽然pise
0.7
具有较大的粘度，与pp隔膜的接触角为92.4
°
，基本上不润湿同时电导率最低，但用tte稀释剂的可以解决粘度与电导率问题，故本发明的优选实施例选取pise
0.7
作为后续处理对象。
[0118]
需说明的是，本发明所优选的实施例仅为本发明技术构思的较为优选的示例，基于本发明的技术构思，本领域技术人员可适当地选取与本发明优选实施例不同的参数进行实施，本发明的保护范围以权利要求书为准，不受所优选的实施例的影响。
[0119]
实施例6
[0120]
不燃高性能锂金属电池电解液的制备
[0121]
将上述优选的的盐包聚合物电解质pise
0.7
与选定体积比的tte形成局部高浓度电解质，获得不燃高性能锂金属电池电解液。
[0122]
tte在电解液中的体积分数为10％。
[0123]
实施例7
[0124]
不燃高性能锂金属电池电解液的制备
[0125]
本实施例与实施例6基本相同，区别在于：tte在电解液中的体积分数为30％。
[0126]
实施例8
[0127]
不燃高性能锂金属电池电解液的制备
[0128]
本实施例与实施例6基本相同，区别在于：tte在电解液中的体积分数为50％。
[0129]
实施例9
[0130]
不燃高性能锂金属电池电解液的制备
[0131]
本实施例与实施例6基本相同，区别在于：tte在电解液中的体积分数为70％。
[0132]
实施例10
[0133]
不燃高性能锂金属电池电解液的制备
[0134]
本实施例与实施例6基本相同，区别在于：tte在电解液中的体积分数为90％。
[0135]
实施例6-10所提供的不燃高性能锂金属电池电解液表示为pise
0.7-ttey，其中，y代表tte在电解液中的体积分数，其理化性质如图2a-图2f所示。
[0136]
根据图2a-图2f可以明确，稀释剂tte的加入使得复合电解质pise
0.7-ttey的电导率不断增加，pise
0.7-tte
90
与pp隔膜完全润湿，接触角仅为28.1
°
同时pise
0.7-tte
90
相比于pise
0.7-tte
10-70
具有最高的电导率与氧化电位。
[0137]
为进一步评估pise
0.7-tte
90
与pise
0.7-tte
10-70
电解质体系的电化学性能，本发明实施例组装了金属锂负极，磷酸铁锂为正极的纽扣电池进行循环伏安测试。如图3a所示，选取的pise
0.7-tte
10
与pise
0.7-tte
50
体系循环伏安曲线出现了严重的极化现象，表明电化学可逆性以及动力学性能较差。而pise
0.7-tte
90
峰值对称且尖锐，具有良好的可逆性以及动力学性能。同时由图3b可以看出pise
0.7-tte
90
除了首圈sei的形成，后续循环曲线几乎重合，进一步证明了pise
0.7-tte
90
的优异性能。
[0138]
本发明实施例还对比了商业电解液(其组成及比例为：1mol/l lipf6/ec∶dmc＝1∶1vol％)、低浓度电解液(其组成及比例为：1mol/l litfsi/pegdme)与本发明实施例10提供的pise
0.7-tte
90
的不燃性能以及在铜箔表面电化学沉积li/cu电池铜箔循环后的表面形貌，分别如图4和图5a-图5f所示，根据图4可以明确，本发明提供的不燃高性能锂金属电池电解液不燃性能显著高于商业电解液和低浓度电解液，图5a-图5f中，商业电解液为经典的枝晶状，随着电池的循环，枝晶穿透隔膜，具有短路的风险。低浓度的液态聚合物电解质铜箔表面为棒状形貌，枝晶生长得到一定的抑制，但是从截面图可以看出沉积的锂较为松散，而复合电解质pise
0.7-tte
90
沉积形貌致密且均匀。
[0139]
图5g-图5j示出了商业电解液、低浓度电解液与本发明实施例10提供的pise
0.7-tte
90
在不同种类电池中的电化学特性曲线，可以明确，pise
0.7-tte
90
具有96％的高库伦效率、28mv的低成核电势、在锂锂对称电池中可以稳定循环500小时，且不腐蚀铝箔。
[0140]
对比例1
[0141]
利用3mol/l的litfsi溶解在乙二醇二甲醚溶液中形成的非聚合物电解质，利用非聚合物电解质制作li/cu电池铜箔循环后观察铜箔表面形貌，如图6所示，可以看出，采用非聚合物电解质，虽然锂金属表面枝晶得到了抑制，但却不如采用本发明实施例提供的阻燃高性能锂金属电池电解液所得铜箔表面形貌光滑且均匀，这种均匀光滑的形貌可以抑制电解液与锂金属表面发生的副反应，避免了容量的衰减以及枝晶的生长。
[0142]
实施例11
[0143]
锂金属电池的制备
[0144]
利用实施例10所提供的电解液组装成锂金属纽扣电池，其电池体系为li/lfp体系或如图9c所示的li@cu/lfp电池体系。
[0145]
对比例2
[0146]
利用商业电解液和低浓度电解液组装成与实施例11结构相同的锂金属纽扣电池。
[0147]
将实施例11与对比例2所制备的锂金属电池进行全电池性能测试，测试结果如图9a、图9b以及图9d-图9f所示。
[0148]
根据图9a、图9b以及图9d-图9f可以明确，本发明实施例所提供的不燃高性能锂金属电池电解液的循环性能和倍率性能显著优于商业电解液和低浓度电解液。
[0149]
图7a-图7i示出了本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解液和低浓度电解液的xps谱图，从图中可以看出，商业电解质形成的sei界面多为刚性的无机物，例如li2co3、lif等，低浓度电解液却多为含有大量醚类的有机物，本发明提供的电解液兼具了前两者的特点，包含了有机与无机的多组分sei成分。图8a-图8b表示出了低浓度电解液和不燃高性能锂金属电池电解液的由密度泛函计算得到的投影态密度分布，从中可以看出低浓度电解液的聚合物的最低能量轨道较低，故形成的sei多为聚合物溶剂分解的有机成分。而本发明提供的电解液为锂盐阴离子的能量轨道最低，故会优先分解，最后聚合物溶剂再分解，从原理上说明了锂金属表面有机无机复合sei层形成的机理。
[0150]
图8c示出了不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解液和低浓度电解液固态电解质相界面(sei)形成的机理示意图，聚合物溶剂自交联机理形成有机层，其配合高浓度锂盐阴离子分解形成的无机成分，共同构成了锂金属表面的有机无机复合sei层。
[0151]
图9a-图9f示出了本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液与商业电解质的电池性能的各项测试曲线图以及本发明实施例中的li@cu/lfp电池组装示意图，从中可以明确，本发明实施例提供的不燃高性能锂金属电池电解液在循环性能、倍率性能、比容量以及库伦效率等方面均优于商业电解液。
[0152]
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，包括：锂盐、聚合物溶剂以及不燃稀释剂；所述锂盐能够溶解于所述聚合物溶剂中形成盐包聚合物电解质，所述盐包聚合物电解质均匀分散于所述不燃稀释剂中。2.根据权利要求1所述的不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，所述聚合物溶剂包括自交联聚合物，优选的，所述聚合物溶剂包括聚乙二醇单甲醚和聚乙二醇二甲醚中的一种或两种组合。3.根据权利要求2所述的不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，所述锂盐包括双三氟甲基磺酰亚胺锂。4.根据权利要求1所述的不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，所述不燃稀释剂包括1，1，2，2-四氟乙基2，2，3，3-四氟丙醚。5.根据权利要求1所述的不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，所述聚合物溶剂与锂盐的摩尔比为0.7-1.1，优选为0.7-0.8。6.根据权利要求1所述的不燃高性能锂金属电池电解液，其特征在于，所述不燃高性能锂金属电池电解液中不燃稀释剂所占的体积分数为10-90％，优选为70-90％。7.如权利要求1-6中任一项所述的不燃高性能锂金属电池电解液的制备方法，其特征在于，包括：使锂盐溶解于聚合物溶剂中，形成盐包聚合物电解质；使所述盐包聚合物电解质均匀分散于不燃稀释剂中，获得不燃高性能锂金属电池电解液。8.一种锂金属电池，包括正极材料、负极材料、隔膜和电解液，所述正极材料、负极材料和隔膜依次贴合，其特征在于，所述电解液包括权利要求1-6中任一项所述的不燃高性能锂金属电池电解液。9.根据权利要求8所述的锂金属电池，其特征在于，所述负极材料表面具有固态电解质相界面，所述固态电解质相界面由所述不燃高性能锂金属电池电解液形成。10.根据权利要求8所述的锂金属电池，其特征在于，所述锂金属电池的内阻为50-70ω，循环寿命大于150圈，倍率能力为0.1c-2c，比容量不低于145mah g-1
，库伦效率不低于98％。

技术总结
本发明公开了一种不燃高性能锂金属电池电解液、其制备方法及锂金属电池。所述不燃高性能锂金属电池电解液包括锂盐、聚合物溶剂以及不燃稀释剂；所述锂盐能够溶解于所述聚合物溶剂中形成盐包聚合物电解质，所述盐包聚合物电解质均匀分散于所述不燃稀释剂中。本发明提供的不燃高性能锂金属电池电解液具有高度不燃特性，同时聚合物溶剂与锂盐配合在电极表面形成均匀致密的固态电解质相界面，能够更加有效地抑制锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的循环寿命。环寿命。环寿命。


技术研发人员：刘美男 涂海峰 张永毅
受保护的技术使用者：江西省纳米技术研究院
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2023/7/22