一种非水电解液以及二次电池制造技术

本发明专利技术涉及电化学技术领域，具体涉及一种非水电解液以及二次电池。本发明专利技术所述的非水电解液包括非水有机溶剂、锂盐以及添加剂，所述添加剂包括结构式1至结构式3所示的端单氟取代化合物中的至少一种：同时，本申请还公开了包括上述非水电解液的锂离子电池。本申请通过在非水电解液中加入含结构式1、结构式2或结构式3所示的端单氟取代化合物，能够有效减少反应性较高的溶剂分子与正/负极界面的直接接触，以降低二次电池中对电化学循环不利的副反应。不利的副反应。不利的副反应。

【技术实现步骤摘要】
一种非水电解液以及二次电池


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种非水电解液以及二次电池。

技术介绍

[0002]电解液被誉为锂离子电池中的“血液”，对锂离子电池中电极材料容量的发挥、电池循环稳定性、电池安全性等起着至关重要的作用。
[0003]传统的锂离子电池中，由于石墨负极的理论比容量(372mAh/g)较低，使得人们开始寻找具有更高比容量、更低电位的锂金属材料(3860mAh/g，
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3.04Vvs.SHE)作为负极材料。以碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)等为代表的碳酸酯类电解液溶剂，其并不适用于锂金属电池，这主要是因为锂金属的电位较低，还原性较强，能够与大多数酯类电解液反应，从而在充放电过程中容易导致锂支晶的生长以及死锂的形成，最终使得电池衰减迅速，难以满足需求。此外，由于多硫化锂也可与酯类电解液发生化学反应，因而传统酯类电解液也难以用于锂硫电池。
[0004]而以乙二醇二甲醚(DME)、1,3
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环戊烷(DOL)为代表的醚类电解液与锂金属反应缓慢，表现出对锂金属较好的稳定性，因而被众多学者用于锂金属电池的研究。此外多硫化锂在醚类电解液中又较好的溶解度，且不与溶剂发生反应，因而醚类电解液也被常用于锂硫电池，经典的配方为1M双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)溶于DME/DOL(1：1v/v)中，同时添加1～2％LiNO3作为添加剂。虽然该醚类电解液体系对锂金属有较好的稳定性，可缓解锂枝晶的生长，但是其氧化分解电位较低，难以满足高电压正极材料的需求(如三元正极材料NCM、尖晶石镍锰酸锂等正极材料)。同时，醚类电解液与酯类电解液一样，具有易燃性，给锂离子电池组带来一系列安全隐患。
[0005]另一方面，现有一类砜类化合物添加剂，如磺酰胺类化合物或磺酸酯类化合物，虽然通过在电解液中加入砜类化合物能够在较小程度上提高电池的电化学性能，但是现有的砜类化合物添加剂对于电解液的耐氧化性能方面并没有较好的提升作用。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种非水电解液以及二次电池，通过将端单氟取代醚类、烃类、磺酸酯类化合物加入至非水电解液中，由于端单氟取代的醚类、烃类以及磺酸酯类合物具有高氧化电位、低可燃性，因此，对作为电解质的锂盐有良好的溶解性，可与锂盐形成稳定的电解液体系，用以最大程度的优化以及改善锂离子电池的循环性能。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种非水电解液，包括非水有机溶剂、锂盐以及添加剂，所述添加剂包括结构式1至结构式3所示的端单氟取代化合物中的至少一种：
[0008][0009]其中，R1选自C1
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C5的烷基、C1
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C5的氟代烷基、C1
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C5的氟代烷氧基或C1
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C5的氟代烯基；
[0010][0011]其中，R2选自C1
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C6的烷基、C1
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C6的氟代烷基或C1
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C6的氟代烯基；
[0012][0013]其中，R3选自C1
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C6的烷基、C1
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C6的氟代烷基、C1
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C6的氟代烷氧基或C1
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C6的氟代烯基。
[0014]本专利技术通过将端单氟取代醚类、烃类、磺酸酯类化合物加入至非水电解液中，能够有效减少反应性较高的溶剂分子与正/负极界面的直接接触，用以降低二次电池中对电化学循环不利的副反应；同时，由于端单氟取代醚类、烃类、磺酸酯类合物具有高氧化电位、低可燃性，因此，对作为电解质的锂盐有良好的溶解性，可与锂盐形成稳定的电解液体系，还可以与非水电解液中的其他成分在电极表面分解，参与电极表面钝化膜形成，在电极表面形成富含金属氟化物的SEI/CEI膜，有效抑制锂枝晶的生长和多硫化物的穿梭效应，可以提高非水电解液的耐氧化电位，从而提高二次电池的循环性能。
[0015]对于结构式1至结构式3所示的端单氟取代化合物，R1、R2或R3基团的氟代基团可以为全氟代或部分氟代，同时，R1、R2或R3基团的氟取代程度以及碳链长度与其极性相关，具体来说，氟代基团的氟取代程度越高，则其碳链长度越长且极性越低，则对锂盐的溶解力越差，而R1、R2或R3基团的碳链越长会有利于提高非水电解液的耐氧化性能和阻燃性，但其基团的碳链长度不宜过长，因为R1、R2或R3基团的碳链长度过长会导致溶剂分子的极性减小，降低溶剂对锂盐的溶解能力，不利于非水电解液电导率的提升，而R1、R2或R3基团的碳链长度相对短一些，可提高所述端单氟取代化合物中的极性官能团
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CH2F在整个分子中的比例，有利于锂离子的解离，从而提供更高的离子电导率。
[0016]需要说明的是，在R1选自烷基、氟代烷基、氟代烷氧基或氟代烯基情况下，所述烷基可以是直链烷基或支链烷基，所述烷氧基可以是直链烷氧基或支链烷氧基，所述烯基可以是直链烯基或支链烯基；在R2选自烷基、氟代烷基或氟代烯基情况下，所述烷基可以是直链烷基或支链烷基，所述烯基可以是直链烯基或支链烯基；在R3选自烷基、氟代烷基、氟代烷氧基或氟代烯基情况下，所述烷基可以是直链烷基或支链烷基，所述烷氧基可以是直链烷氧基或支链烷氧基，所述烯基可以是直链烯基或支链烯基。
[0017]进一步的，所述结构式1所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：
[0018][0019]所述结构式2所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：
[0020][0021]所述结构式3所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：
[0022][0023]本专利技术所述的端单氟取代化合物中，包括了以
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CH2F为主的端单氟取代基团，由于该基团中独特的单氟烷基链能够解离锂盐，表现出对锂盐良好的溶解性，从而提供较高的离子电导率。
[0024]此外，本专利技术人还发现端单氟取代化合物在提供良好离子电导率的同时，氟的取代能够有效提升溶剂分子的耐氧化电位，从而能够使得到的非水电解液表现出对高压正极的稳定性，有利于高压电池的稳定循环。而且，在负极一侧，所选化合物的基团(包括醚、烷烃、磺酸酯)均对锂金属表现出良好的化学稳定性，副反应较少，有利于锂金属的高度可逆沉积。
[0025]而且，所取代的单氟官能团能够在锂金属负极优先被还原分解，生成富含氟化物
的固态电解质膜(SEI膜)，有利于阻止电解液与锂金属的进一步反应，因而有利于锂金属的沉积与剥离，提高锂金属的库伦效率。由于含所述端单氟取代化合物的溶剂对锂盐的接力能力弱于强相互作用溶剂，因此其形成的溶剂化结构中锂离子在电极表面的脱出更为容易，因而能够抑制溶剂分子在石墨片层之间的插层反应，从而提高电解液对石墨负极的稳定性。基于上述原理，本专利技术所述的非水电解液在正/负极表面生成薄而稳定的氟化物SEI/CEI保护层，从而使得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非水电解液，其特征在于，包括非水有机溶剂、锂盐以及添加剂，所述添加剂包括结构式1至结构式3所示的端单氟取代化合物中的至少一种：其中，R1选自C1
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C5的烷基、C1
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C5的氟代烷基、C1
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C5的氟代烷氧基或C1
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C5的氟代烯基；其中，R2选自C1
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C6的烷基、C1
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C6的氟代烷基或C1
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C6的氟代烯基；其中，R3选自C1
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C6的烷基、C1
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C6的氟代烷基、C1
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C6的氟代烷氧基或C1
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C6的氟代烯基。2.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述结构式1所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：合物选自以下化合物中的一种或多种：所述结构式2所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：
所述结构式3所示的端单氟取代化合物选自以下化合物中的一种或多种：3.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，以所述非水电解液的总质量为100％计，所述端单氟取代化合物的质量百分比为10％～100％。4.根据权利要求1所述的非水电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂与所述端单氟取代化合物的体积比为0:100～90:10。5.根据权利要求4所述的非水电解液，其特征在于，所述非水有机溶剂包括醚类...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光照，邓永红，钱韫娴，胡时光，王朝阳，常键，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：