一种快充型电解液和锂离子电池及其制备方法与应用

本发明涉及锂离子电池，更具体地说是涉及一种快充型电解液和锂离子电池及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着全球能源结构转型，锂离子电池的应用已从手机、电脑等小型设备扩展至电动汽车及航空航天领域，对其快充能力与高功率输出提出了更为严苛的要求。

2、然而，现有商用电池在高倍率充放电时容量衰减严重，尤其是在低温环境下，高倍率充放电过程中的容量跳水与极化加剧问题更加突出。这一困境的根源在于传统碳酸酯类电解液的锂离子（li+）迁移数较低，充电时阴阳离子的反向迁移会加剧浓差极化，导致电池性能下降；在低温条件下，电解液黏度骤升，离子电导率急剧降低，li+穿越固体电解质界面（sei）膜的扩散能垒显著增加，极易引发电极极化甚至锂枝晶析出，进一步制约电池的快充能力与安全性。此外，传统线性链醚类溶剂虽具有低黏度和良好的低温流动性，但其分子结构开放，抗氧化能力差，高压下易分解，且形成的负极sei膜不致密，难以抑制锂枝晶生长，不适用于高倍率快充场景。

3、相比之下，环醚类溶剂因独特的环状几何约束，展现出成膜性能优异、去溶剂化能低及抗氧化潜力更高的优势，为开发快充型电解液提供了新思路。然而，环醚类溶剂（如1,3-二氧戊环）在实际应用中仍面临开环聚合行为难以调控、与锂盐匹配性不佳、界面sei组成不均等问题，易导致电解液本体凝胶化或界面阻抗增大，限制其在高倍率快充电池中的实际应用。

4、因此，如何基于环醚类溶剂开发一种兼具高离子电导率、高锂离子迁移数和稳定界面膜的快充型电解液和锂离子电池，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快充型电解液和锂离子电池及其制备方法与应用，以解决现有技术中电解液快充能力不足及液态电池安全性差的缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种快充型电解液，包括环醚类溶剂和锂盐；其中，锂盐在快充型电解液中的浓度为0.5-3 mol l1。

4、本发明快充型电解液由环醚类溶剂与锂盐复配而成。由于环醚类溶剂与li+的配位能力较弱，能够显著降低li+的去溶剂化能垒，使li+优先脱溶剂化后嵌入电极，从而减少溶剂共嵌入及界面副反应，改善电极/电解液界面稳定性。

5、进一步，上述环醚类溶剂为1,3-二氧戊环（dol）、2-甲基四氢呋喃（2methf）、3-甲基四氢呋喃（3methf）、四氢呋喃（thf）、四氢吡喃（thp）、1,3-二氧己环（1,3-dx）和1,4-二氧己环（1,4-dx）中的至少一种，优选为1,3-二氧戊环（dol）。特别地，当环醚类溶剂为两种时，其中第一种环醚类溶剂的体积分数为50～100vol%，第二种环醚类溶剂的体积分数为0～50vol%。

6、采用上述进一步的有益效果在于，本发明采用具有低熔点、低介电常数和弱极性的环醚类溶剂，进一步优化传统的商用高熔点碳酸酯基溶剂，并结合适当增大的锂盐浓度，有利于显著降低电解液的凝固点（<50℃）并提升低温下的离子电导率，确保电池在低温环境下的稳定运行。

7、同时，本发明充分利用环醚类溶剂独特的弱配位特性，在无需添加其他辅助溶剂的情况下，自身即可有效调控li+溶剂化层结构并构建出以阴离子为主导的溶剂化壳层，从而赋予电解液极低的li+结合能，显著降低界面去溶剂化能垒，克服低温下的界面电荷转移瓶颈。

8、进一步，上述锂盐为双氟磺酰亚胺锂（lifsi）、六氟磷酸锂（lipf6）、硝酸锂（lino3）、双三氟甲烷磺酰亚胺锂（litfsi）和二氟磷酸锂（lipo2f2）中的至少一种，优选为双氟磺酰亚胺锂（lifsi），浓度为1 mol l1，或优选为双氟磺酰亚胺锂（lifsi）和硝酸锂（lino3）的混合物，浓度分别为1 mol l1和0.5 mol l1。

9、一种快充型电解液的制备方法，具体包括以下步骤：

10、（1）按上述快充型电解液的用量称取各原料；

11、（2）将环醚类溶剂与经干燥处理的分子筛混合，静置脱水，取上层清液，得到干燥后的环醚类溶剂；

12、（3）向干燥后的环醚类溶剂中加入锂盐，搅拌均匀，即得快充型电解液。

13、进一步，上述步骤（2）中，分子筛为na12[(alo2)12(sio2)12]·xh2o；静置脱水的温度为25-30℃，时间为24 h。

14、进一步，上述步骤（3）中，搅拌的转速为500 rpm，搅拌时间为1 h。

15、本发明还请求保护一种上述快充型电解液在制备锂离子电池中的应用。

16、一种快充型锂离子电池，包括正极、负极、隔膜以及上述快充型电解液。

17、进一步，上述正极为三元正极材料（如ncm811或ncm523）、磷酸铁锂（lifepo4）和钴酸锂（licoo2）中的至少一种。

18、进一步，上述负极为金属锂（li）和石墨（gr）中的至少一种。

19、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

20、1、本发明以1,3-二氧戊环（dol）为环醚类溶剂，以双氟磺酰亚胺锂（lifsi）和硝酸锂（lino3）为锂盐，通过特定浓度复配，使电解液在初始状态下保持高流动性、低黏度的液态形态，能够快速且充分地浸润电极片及隔膜孔隙。在电池充放电过程中，lino3对dol的开环聚合具有调控作用，使该电解液发生部分原位开环聚合，由液态向凝胶或准固态电解质适度转变，而非完全固化为高阻抗的固态聚合物。据信，lifsi可引发dol发生开环聚合，而lino3可调节该聚合过程，使聚合程度受到控制。但本发明不受该机理限制，只要电解液具有本发明所述组成和性能即可。

21、2、本发明采用部分原位聚合特性使电解液兼具液态电解质的高离子传导率与准固态电解质的界面稳定性。在初始液相状态下，电解液可充分浸润电极，解决传统固态电解质固-固界面接触不良导致的高界面阻抗问题；随着部分聚合的发生，电解液整体呈非流动或微流动状态，可消除漏液隐患并降低体系易燃性。同时，该准固态结构可作为物理屏障，抑制锂枝晶的成核与生长，在提升电池安全性的前提下，实现优异的快充性能与长循环稳定性。

22、3、本发明由快充型电解液组装的锂离子电池的工作温度范围为-20至25℃。以li||石墨半电池为例，在4 c高倍率下的放电比容量可达340 mah g1，在6 c倍率下仍能保持313 mah g1，在6 c倍率下循环1800圈后容量保持率为90.6%。相比之下，未添加lino3的1 mlifsi/dol电解液在相同条件下的倍率性能和循环性能明显偏低。这表明，0.5 mol l1lino3的引入对高倍率长循环性能具有显著提升作用。此外，在东北地区冬季（12月份至次年1月份）户外实时温度条件下、0.5 c倍率条件下，该电池体系仍能稳定正常运行。

23、4、本发明电解液的制备流程简便高效，无需额外添加其他辅助溶剂或外源添加剂，对不同活性材料体系和工艺条件均表现出良好的适应性，适用于快充型锂离子电池，具有突出的工业化放大生产与推广应用前景。