一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液及其制备和使用方法技术

本发明专利技术公开了一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液及其制备和使用方法，属于钠离子电池技术领域，所述电解液包括钠盐、呋喃类有机溶剂。本发明专利技术的电解液制备简单、原材料易于获得，可有效地提高硬碳负极在钠离子电池中的低温倍率性能及循环稳定性。低温倍率性能及循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液及其制备和使用方法


[0001]本专利技术属于钠离子电池
，具体涉及一种适配于硬碳负极的高性能钠离子电池电解液及其制备和使用方法。

技术介绍

[0002]钠离子电池由于钠储量丰富、价格低廉和环境友好等优点在大规模储能、低速电动车和特种工程车等领域具有良好的应用前景。硬碳材料价格低廉、制备简单是钠离子电池负极的主要候选材料。然而，目前硬碳材料仍面临倍率性能差的问题。另外，在低温条件下，硬碳负极容量下降严重，将限制了钠离子电池的应用范围。硬碳负极嵌钠性能在低温下较差的原因，通常可以归纳为以下几点:
①
电解液的黏度增加，导致电导率降低；
②
Na
+
在活性材料中的扩散速度降低；
③
电极/电解液界面的电荷传递阻抗增大等。电解液是钠离子电池的重要组成部分，不仅决定了离子在电解液中的迁移率，还与电极上形成的固体电解质相界面(SEI)膜有关，对钠离子电池的倍率性能以及低温下的稳定性和循环寿命有重要影响。因此，对电解液中溶剂和钠盐的研究是优化SIBs倍率和低温性能的重要途径。
[0003]目前最常用的钠离子电池电解液为酯基电解液，如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)等。这些电解液中溶剂分子与Na
+
之间往往具有较强相互作用，一定程度上限制了Na
+
在电解液和界面处的扩散。而且酯基电解液在钠离子电池充放电过程中会在负极表面生成组分不均匀、较厚的SEI,导致固
‑
液界面能高，离子传输速率慢，从而影响电池倍率性能和长循环稳定性。另外，当温度降低时，这些电解液电导率急剧下降、电荷转移阻抗和SEI膜阻抗都不断增大，EC、PC等熔点相对较高的溶剂在低温时甚至会出现凝固现象，导致钠离子电池在低温下难以工作。因此需要开发低黏度低熔点的新型溶剂或使用新型电解质盐来提高电解液的低温电导率，降低电荷在电解液与电极间的转移阻抗。

技术实现思路

[0004]本专利技术首要目的是提供一种适配于硬碳负极的高性能钠离子电池电解液。该电解液的溶剂主要成分基于呋喃，制备简单、原材料易于获得，可有效地提高钠离子电池的低温性能、倍率容量及循环稳定。
[0005]本专利技术采取如下技术方案：
[0006]一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液，包括钠盐、呋喃类溶剂。
[0007]所述的电解液，所述钠盐包括：六氟磷酸钠(NaPF6)、高氯酸钠(NaClO4)、三氟甲基磺酸钠(NaCF3SO3)、双三氟甲烷磺酰亚胺钠(NaTFSI)和双氟磺酰亚胺钠(NaFSI)中的一种或多种。
[0008]所述的电解液，所述钠盐的浓度0.1M
‑
10M；优选0.5M
‑
3.0M，进一步优选1.0M。
[0009]所述的电解液，所述呋喃类溶剂包括四氢呋喃、2
‑
甲基四氢呋喃、2
‑
乙基四氢呋喃、2，5
‑
二乙基四氢呋喃、2,5
‑
二甲氧基四氢呋喃、(全氟)2
‑
丁基四氢呋喃中的一种或多种
组成的溶剂。优选四氢呋喃和2
‑
甲基四氢呋喃中至少一种。
[0010]所述的电解液，还包括其他功能添加剂。
[0011]所述的电解液，所述其他功能添加剂包括氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、硫酸亚乙酯(DTD)、环己基苯(CHB)、亚硫酸亚乙酯(DTO)、亚硫酸丙烯酯(PS)、亚硫酸丁烯酯(BS)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、硫酸丙烯酯(TMS)、苯基丙酮(PAC)、1,4
‑
丁烷磺酸内酯(1,4
‑
BS)、1,3
‑
丙烷磺酸内酯(1,3
‑
PS)、N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMFA)、N,N
‑
二甲基乙酰胺(DMAC)、N,N
‑
二甲基三氟乙酰胺(DTA)中的一种或多种混合物。优选氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸亚乙酯中的至少一种。
[0012]所述的电解液，所述其他功能添加剂在电解液中的比例在0.1
‑
10wt％。优选1
‑
5wt％，进一步优选2.5
‑
5wt％。
[0013]本专利技术的第二个目的是提供所述的电解液的制备方法，将钠盐或者钠盐与其他功能添加剂溶解在呋喃类溶剂中得到。
[0014]本专利技术的第三个目的是提供所述的电解液的使用方法，用于硬碳负极的钠离子电池中。
[0015]进一步地，所述的使用方法，将组装好的电池在，
‑
30—40℃，优选
‑
20—30℃温度环境使用。
[0016]本专利技术的原理
[0017]钠离子电池电解液的物化性质是影响其电化学性能的关键。电解液的黏度、电解液中溶剂分子与溶质钠离子之间的相互作用、钠离子在电极/电解液界面之间的扩散能等均对钠离子电池的低温性能、倍率性能有着重要的影响。不同于以钠的沉积/溶解为机理的钠金属负极(钠枝晶的产生导致其循环稳定性差)，对于以嵌入/脱出机制的硬碳作为负极的钠离子电池来说，开发一种能使钠离子在电解液/硬碳电极界面之间快速扩散电解液对其性能的提升尤为重要。本专利技术提出的主要成分基于四氢呋喃的电解液较其常用的酯类电解液具有更低的黏度，而且钠离子半径较锂离子大，其与溶剂分子之间有更弱的作用力，从而有利于钠离子在电解液/硬碳电极界面的扩散，提升电池的倍率及低温性能。
[0018]本专利技术具有的优点和积极效果是：
[0019](1)本专利技术提出的电解液制备简单、原材料易于获得。
[0020](2)相对于钠离子电池现有的电解液，本专利技术所采用的电解液能使钠离子电池硬碳负极具有优异的倍率性能和循环性能，尤其是低温下的倍率和循环性能。
[0021](3)本专利技术所采用的电解液也仅仅能使钠离子电池硬碳负极具有优异的倍率性能和循环性能；对于其他电池，如：锂离子电池、金属负极钠离子电池等则不具有显著的提升作用。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例1～4及对比例1中使用不同电解液的钠离子电池的倍率性能图；
[0023]图2为本专利技术实施例1及对比例1中钠离子电池在小电流下的循环性能图；
[0024]图3为本专利技术实施例1及对比例1中钠离子电池的长循环性能图；
[0025]图4为本专利技术实施例1中钠离子电池在
‑
5℃下的倍率性能图；
[0026]图5为本专利技术实施例1中钠离子电池在
‑
5℃下的长循环性能图；
[0027]图6为本专利技术实施例1中钠离子电池在
‑
20℃下的倍率性能图；
[0028]图7为本专利技术实施例1中钠离子电池在
‑
20℃下的长循环性能图。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适配于硬碳负极的钠离子电池电解液，其特征在于，包括钠盐、呋喃类溶剂。2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述钠盐包括：六氟磷酸钠、高氯酸钠、三氟甲基磺酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠和双氟磺酰亚胺钠中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的电解液，其特征在于，所述钠盐的浓度0.1M
‑
10M；优选0.5M
‑
3.0M；进一步优选1.0M。4.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述呋喃类溶剂包括四氢呋喃、2
‑
甲基四氢呋喃、2
‑
乙基四氢呋喃、2，5
‑
二乙基四氢呋喃、2,5
‑
二甲氧基四氢呋喃、(全氟)2
‑
丁基四氢呋喃中的一种或多种组成的溶剂；优选四氢呋喃和2
‑
甲基四氢呋喃中的至少一种。5.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，还包括其他功能添加剂。6.根据权利要求5所述的电解液，其特征在于，所述其他功能添加剂包括氟代碳酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、硫酸亚乙酯、环己基苯、亚硫酸亚乙酯、亚硫酸丙烯酯、亚硫酸丁烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旦，唐正，唐有根，王海燕，王红，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：