电解液添加剂、电解液及钠金属电池制造技术

为了提高电解液的抗氧化能力，改善电池的整体库伦效率，同时有效抑制钠枝晶的生长，提升电池的循环稳定性能和使用寿命，本发明专利技术提供了一种电解液添加剂，包括苯环；所述苯环上具有第一取代基和第二取代基；所述第一取代基为氟；所述第二取代基为硅氧烷。同时，本发明专利技术还公开了包括上述电解液添加剂的电解液和钠金属电池。本发明专利技术提供的电解液大大提高了电解液的抗氧化能力，减少在从放电过程中电解液的氧化分解而引起的副反应，同时优化钠金属电池负极固体电解质膜(SEI)和正极的电解质界面膜(CEI)，提高全电池库伦效率且有效地抑制钠枝晶的生长，从而提高电池的整体性能。从而提高电池的整体性能。从而提高电池的整体性能。

【技术实现步骤摘要】
电解液添加剂、电解液及钠金属电池


[0001]本专利技术涉及电化学领域，更具体地，涉及电解液添加剂、电解液及钠金属电池。

技术介绍

[0002]可充电锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、使用寿命长、工作温度宽、环境友好等优点，已广泛应用于手机、笔记本电脑等小型便携式设备。随着全球电动汽车市场的快速发展，传统的锂电池已经无法满足长里程的续航。而且锂资源的短缺，导致锂金属价格快速上涨，从而锂离子电池成本也急剧升高。因此，开发下一代碱金属电池势在必行。由于钠金属资源丰富，钠离子电池(SIB)被认为是锂离子电池最有前途的替代品之一。
[0003]在各种SIB负极材料中，钠(Na)金属电极具有低的氧化还原电位(2.71V vs.标准氢电极)和最高的理论容量(1166mAh/g)。然而，高活性的金属Na会与大多数有机液体电解质发生连续的副反应形成固体电解质膜(SEI)。但是，这种自发形成的SEI通常不均匀、易碎，在反复的沉积/剥离处理中容易破裂，进而再次引发不受控制的副反应，并且使得SEI不断被改造，不可避免地导致电池的低库仑效率(CE)被降低，另外电池还会生长钠枝晶，最终导致电池的电解质被耗竭；此外，树状枝晶的生长会诱发电池内部短路，存在安全隐患。
[0004]为了应对这些挑战，人们提出了各种战略，包括三维集流体、高浓电解液、电解液添加剂、固态电解质和人工SEI保护层等，均显示出抑制钠枝晶的能力。但是，从实际应用的角度来考虑，电解液添加剂因其丰富的化学成分和与电池制造的兼容性而特别具有吸引力。电解液添加剂可分解并协助形成理想的SEI层，能够保护金属电极，使无枝晶金属沉积。到目前为止，只有少数几种电解液添加剂被开发出来用于抑制钠枝晶，例如以氟乙烯碳酸盐(FEC)、Na2S6和双(三氟甲基磺酰)亚胺钾(KTFSI)等形式呈现的电解液添加剂。
[0005]其中，FEC作为电解质添加剂对全电池有着积极影响，然而在钠金属负极的极化电位较大，且持续释放少量气体，长期可能对电池性能有害。而Na2S6和KTFSI形式的电解液添加剂则仅适用于醚基电解液，具有较差的抗氧化稳定性，不适合高电压的正极。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的是至少解决上述问题。
[0007]本专利技术还有一个目的是，提供一种电解液添加剂、电解液及钠金属电池，至少能够解决：如何综合抑制钠枝晶的生长、提升电解液氧化电位以及负极的SEI和CEI性能的问题，从而提升电池的循环稳定性能和使用寿命。
[0008]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
[0009]在一个方面，本专利技术提供一种电解液添加剂，所述电解液添加剂包括苯环；所述苯环具有第一取代基和第二取代基；所述第一取代基为氟；所述第二取代基为硅氧烷。
[0010]在上述基础上，于另一个方面，本专利技术提供了一种电解液，包括上述的电解液添加剂。
[0011]进一步地，在又一个方面，本专利技术还提供了一种钠金属电池，包括上述的电解液。
[0012]本专利技术提供的技术方案具备以下技术效果：
[0013]1.根据本专利技术的一些技术方案提供的电解液添加剂，能够使得电解液在负极表面进行优先还原，形成高质量的SEI，这种SEI可以避免电解液与高活性的钠金属的直接接触，减少电解液的分解。
[0014]另外，电解液添加剂同样能够使得电解液优先在电池正极表面氧化，形成稳定的CEI，提高电解液整体的抗氧化能力，改善金属电池的库伦效率。
[0015]同样重要的是，上述电解液添加剂含有丰富的氟元素，这些氟元素可以与钠离子反应生成具有高界面能的NaF，不仅有利于提高SEI的机械性能，还能够抑制钠枝晶的生长。
[0016]除以上所述外，所述电解液添加剂还含有硅氧烷基团，可以清除电解液里面的有害物质(如氢氟酸)，保护SEI和CEI结构的完整性。
[0017]2.根据本专利技术的一些技术方案提供的电解液，能够在高电压的正极表面形成均匀且致密的CEI，可以显著地提高钠金属电池的库伦效率(首圈和随后循环的库伦效率)；同时前述的电解液还可以在钠负极表明形成一个富含NaF的SEI，大幅提高SEI的机械性能。而强健的SEI可以隔绝电解液与金属钠的接触，减少副反应的发生，同时还能抑制钠枝晶的生长，提高电池的整体性能。
[0018]3.在某些技术方案中，本专利技术提供的电解液还包括NaClO4后，能够大大增强电解液的抗氧化能力，提升电解液的氧化电位，减少电解液的氧化分解，提高电池的库伦效率。所以说，这种电解液特别适合高电压的正极材料，提升电池的正极性能。
[0019]更重要的是，电解液添加剂和NaClO4在钠金属电池电解液中能够产生协同作用，进一步优化钠金属电池正极的CEI和负极SEI，提高全电池库伦效率和抑制钠枝晶的生长，从而提高电池的整体性能。
[0020]4.基于前述各方案中的电解液添加剂和电解液，不难理解的是，相对于现有技术而言，本专利技术提供的钠金属电池能够提升库伦效率、抑制钠枝晶的生长并延长电池寿命，从而可以使得电池的整体性能得到大幅度提升。
附图说明
[0021]图1是本专利技术提供的实施例1
‑
4和对比例1的电解液对应的电化学稳定窗口图；
[0022]图2是根据本专利技术实施例1
‑
4和对比例1的电解液制备的钠对称电池的循环性能对比图；
[0023]图3是通过原位光学显微镜观察根据本专利技术对比例1的电解液制备的电池时，获取的钠电极在不同时间的横截面图；
[0024]图4是通过原位光学显微镜观察根据本专利技术实施例4的电解液制备的电池时，获取的钠电极在不同时间的横截面图；
[0025]图5是本专利技术实施例2、实施例4和对比例1的电解液对应的全电池循环性能对比图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用
以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]<电解液添加剂>
[0028]本专利技术提供的电解液添加剂应用于钠金属电池，所述电解液添加剂包括苯环，所述苯环具有第一取代基和第二取代基；换言之，苯环上的氢原子被第一取代基和第二取代基取代后形成电解液添加剂。其中，所述第一取代基为氟基，所述第二取代基为硅氧烷基。
[0029]上述电解液添加剂含有丰富的氟元素，这些氟元素可以与钠离子反应生成具有高界面能的NaF，不仅有利于提高SEI的机械性能，还能够抑制钠枝晶的生长。硅氧烷基团则可以清除电解液里面的有害物质(如氢氟酸)，保护SEI和CEI结构的完整性。
[0030]因此，根据上述电解液添加剂制备的钠金属电池，不仅可以在负极形成富含NaF无机组分的SEI，提高SEI的机械性能，还可以有效抑制枝晶的生长，从而提高电池的寿命。上述电解液添加剂中，优选具有多个第一取代基，进一步地，所述苯环上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解液添加剂，其特征在于，包括苯环；所述苯环具有第一取代基和第二取代基；所述第一取代基为氟基；所述第二取代基为硅氧烷基。2.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述苯环具有2
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5个所述第一取代基。3.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，所述硅氧烷基包括硅原子及与所述硅原子连接的三个烷氧基，所述硅原子与所述苯环连接。4.根据权利要求1所述的电解液添加剂，其特征在于，选自三甲氧基(五氟苯基)硅烷。5.一种电解液，其特征在于，包括权利要求1
‑
4任一所述的电解液添加剂；所述电解液中，所述电解液添加剂的浓度为0.5
‑
2wt％。6.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于，所述电解液还含有NaClO4。7.根据权利要求6所述的电解液，其特征在于，所述电解液中，所述NaClO4的浓度为0.05
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：马建民，吴达雄，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：